蜻蜓机电模型气动力精密测量

本文通过设计并制作一个可以精确模拟蜻蜓悬停拍动的机电模型,对其在水中拍动时产生的力进行了测量,得到了整个拍动周期中翼所受的升力和阻力,从而得到蜻蜓翼拍动的气动力性能.为设计仿生MAV提供了理论依据.     

二维平板翼悬停拍翼运动中俯仰旋转速度对流场特性的影响

大多数昆虫的拍翼运动由平动挥拍与俯仰旋转动组合而成。本文采用二维平板翼模型对悬停拍翼运动过程进行了模拟,翼型平动及转动速度满足简谐运动规律,并且上挥下拍过程对称。在保持挥拍中期攻角40度不变的情况下,改变俯仰速度或转动时间,采用DPIV(粒子速度成像仪)系统观测拍翼运动的流场涡结构,用测力天平测量模型翼升阻力的变化规律。实验结果表明,在转动阶段翼型升阻力的峰值随着转速的增大而增大,但整个拍翼周期内的平均升阻力变化不大;转速小时翼型升力的产生以攻角上仰升力机制为主,转速大时升力的产生以射流升力机制为主。     

微型旋转翼与拍动翼气动力特性的比较

 用拟压缩性法求解三维非定常不可压N-S方程，研究了旋转翼及拍动翼的气动力和流场。当昆虫正常悬停时，如果翅膀旋转，产生的平均升力以及气动效率并不比拍动时的差，甚至还略好，因此，厘米级微型飞行器可以采用旋转翼，这比拍动模式容易实现。另外，小迎角旋转时升阻比可达3.1（在15°迎角，雷诺数4 000情况下），气动效率较高而且升力系数不小，多个桨叶可以产生很大的升力。因此，在悬停时，多个桨叶小迎角旋转是厘米级微型飞行器的一个很好的方案。     

S1223翼型俯仰-沉浮运动的非定常气动特性分析

扑翼飞行器是未来航空领域的重要发展方向之一,而鸟类、昆虫等自然界的飞行生物所具有的出色飞行能力,为人造扑翼飞行器的设计工作提供了很好的参照。本文以鸟类的扑翼飞行为研究背景,针对简化的二维S1223翼型的刚性俯仰-沉浮运动,对其非定常气动力特性进行了数值研究。研究采用了动态混合网格技术以及非定常数值计算方法。为了提高动态混合网格的变形能力,采用了基于径向基函数的插值方法求解空间点的位移,翼型整个俯仰-沉浮运动周期内计算网格均维持了较好的质量,没有发生网格重构。非定常算法方面,通过约束单元边界面的法向速度从而满足了运动网格下几何守恒律的要求。空间离散采用了二阶的有限体积格式,时间离散则采用了双时间步和BLU-SGS相结合的隐式时间推进策略。计算得到了不同下拍时间、不同拍动角等条件下的升力、推力以及能耗,对其升力、推力产生机制进行了分析,并通过对气动力以及流场进行对比,分析了各拍动参数的影响。计算结果表明,翼型自身的"静态因素"是其产生升力的主要原因,非定常流动对增加升力起到了促进作用,而下拍时间、拍动角等运动参数对翼型的气动性能影响较大。当下拍时间占到整个拍动周期的约65%-70%时,单位能耗下的时均升力最大,该结论和观测数据较为一致。此外,通过对比分析得到了一组具有较好气动特性的拍动角参数,为后续针对三维问题的研究提供了参考。     

翼间干涉效应对蜻蜓悬停气动性能的影响

蜻蜓在悬停飞行过程中,通过控制翅膀的运动规律,进行前后翅相位差为180°的扑翼运动。为了分析两对翅膀之间的干涉效应对悬停气动性能的影响,利用计算流体力学手段对蜻蜓悬停状态的串列扑翼和单对翅扑翼进行模拟。通过对两种模式下的流场进行分析,并计算对比了悬停效率、气动力及气动功率的数据,发现了悬停状态下翼间干涉的气动效应：尾迹集中效应和来流偏折效应。尾迹集中效应可以减少翅膀附近的涡耗散和尾迹耗散,提高悬停效率;来流偏折效应可以通过减小后翅在下拍过程中的来流攻角,从而降低前缘涡的尺寸和强度,降低悬停功率。数值结果表明：在运动规律相同的情况下,与单独拍动的前翅和后翅进行的悬停相比,串列双翅悬停的效率分别提高了18.6%和25.5%,功率分别降低了4.8%和14.0%。     

微型飞行器的仿生力学——蜜蜂悬停飞行的动稳定性研究

研究蜜蜂悬停飞行的纵向动稳定性问题。用数值求解N-S方程的方法计算拍动翅及身体的气动导数;用特征模态分析方法求解运动方程。蜜蜂悬停飞行的纵向扰动运动由3个特征模态构成:不稳定振荡模态、快衰减模态、慢衰减模态。不稳定振荡模态主要为俯仰与水平方向的振荡运动;向前运动伴随上仰运动,向后运动伴随下俯运动,这种水平运动与俯仰运动的耦合产生的与转动方向同向的力矩,是不稳定的原因。快衰减模态主要为单调下俯和向前(或上仰和向后)运动。慢衰减运动主要为下沉(或上升)运动。由于不稳定振荡模态的存在,蜜蜂的悬停飞行是动不稳定的,扰动增长的倍幅时间(0.11s)是拍动周期(5.1ms)的22倍,这对蜜蜂来说是较慢的。这里的结果也许可解释蜜蜂为何悬停得很平稳,同时机动性也很好:扰动增长慢,易于调整翅的运动以抑制之(昆虫可在远小于拍动周期的时间内调整其翅膀的运动);而稳定性弱或不稳定为高机动性提供了基础。     

微小型摆线桨气动特性数值研究

对微小型摆线桨模型进行了理论分析,确定了一种常见的桨叶绕自身轴旋转运动的规律。由于摆线桨产生的气动力主要来自于桨叶自转带来的动态升力,通过NACA0012翼型低雷诺数动态失速过程的数值模拟和实验对比,验证了采用嵌套网格技术的非定常N-S方程数值解法的准确性。通过对摆线桨二维非定常流场的计算和分析,得到了在悬停和前飞状态下,摆线桨产生气动力的大小、方向以及气动效率与桨叶运动规律的关系。然后分析了不同数量桨叶之间的相互干扰,发现3~4片桨叶较为合适。最后对三维摆线桨流场进行了仿真模拟,发现在转速不变的情况下,随着前进比J的增加,摆线桨产生的矢量推力大小变化不大,但方向变化明显。     

机械蝴蝶模型悬停飞行的流动显示实验

为了探索蝴蝶独特的外形及运动模式下蕴含的流动机理，与以往只考虑翅膀气动影响的拍动翼实验不同，我们开发了一种同时考虑身体及翅膀的机械系统用以模拟蝴蝶的悬停飞行，并采用染色液流动显示的方法对升力的主要来源——前缘涡进行了细致的观测。结果显示，在蝴蝶飞行的上下拍动过程中均有前缘涡产生，且不是以往观测到的螺旋或锥状结构，而是近似等直径的柱状联通形式，其明显特征为：在拍动加速阶段存在明显的展向流动，而在减速阶段则会出现破裂；另外，蝴蝶看似杂乱无章的运动实际上是一种自适应控制的结果，有助于提高升力。     

蜻蜓起飞过程飞行特征实验

针对蜻蜓自由起飞过程和准自由起飞过程进行实验观测,采用两个光轴相互垂直的高速摄像机进行拍摄,通过特征点匹配和三维重构方法准确地捕捉了两种起飞过程中蜻蜓身体和翅膀的运动参数,并进行运动特征分析与对比。实验结果表明:蜻蜓在自由起飞过程中采用同步振翅,离地后逐步转换成异步振翅(约110°),最大瞬时竖直加速度可以达到20m/s2;在准自由起飞过程中采用异步振翅(相位差180°),之后相位差逐步降低,最大瞬时竖直加速度为12m/s2;此外发现同步振翅、大攻角下拍及大拍动角有利于升力的产生。      

一种典型过失速机动的仿真

从飞机的六自由度运动方程出发,结合推力矢量控制系统,进行三种典型过失速机动的数值仿真,主要研究了第一种机动的操纵规律;失速迎角后大迎角不对称气动力和力矩及气动迟 完成过失速机动的影响;推力矢量在实现过失速机动中所起到的作用。此外,对不同初始飞行状态也给予了讨论。仿真结果表明：推力矢量是过失速机动的有效手段;在设计操纵规律时,应予以充分考虑到不对称气动力矩的影响,气动迟滞、进入速度对过失速机动的影响     

基于翼面压力的飞行器气动力感知技术与自由飞验证

飞行器在大迎角飞行状态下其复杂绕流流动会导致非指令运动出现,严重影响了飞行器的操纵性与飞行安全。现有以惯性元件为核心的机载设备无法直接提供非定常气动力参数,而如何实时感知飞行器大迎角状态的非定常气动力/力矩,是抑制非指令运动现象的核心所在,将是未来战机设计中亟待解决的空气动力学和飞行控制的关键问题之一。针对上述问题,提出基于翼面压力信息获取特征截面滚转力矩系数C_lsec,估算飞行器全机在大迎角状态下的非定常气动力矩,进而判断飞行器的滚转运动的设想。风洞和飞行试验研究结果表明：对于80°/48°双三角翼,0.8c特征截面滚转力矩系数C_lsec与模型滚转力矩存在相关性;在飞行器进行大迎角平飞动作时,非指令滚转运动下的滚转力矩系数C_lsec大幅增加;C_lsec能够比惯性传感器提前预测模型的滚转运动趋势,可为飞行器大迎角状态的非指令运动抑制提供一定数据依据。     

倾转涵道倾转过渡阶段的非定常气动力

为研究倾转涵道动力装置在倾转过渡阶段的非定常气动力,使用基于滑移网格技术的非定常计算方法,利用基于内场信息和叶素理论的压力盘模型模拟风扇螺旋桨,通过求解Navier-Stokes(N-S)方程,对涵道风扇俯仰拉起过程进行数值模拟.结果表明:在倾转过程中涵道风扇非定常气动力的迟滞特性明显,俯仰角速度延迟了流场分离,增加了涵道风扇的升力和阻力;低速飞行时,涵道风扇在整个倾转过渡阶段气动性能优良;在高速大迎角飞行时,涵道风扇气动性能恶化,俯仰力矩曲线紊乱,不利于进行倾转过渡飞行.      

过渡状态的倾转旋翼气动特性计算分析(英文)

针对特殊的旋翼倾转运动,建立了一个过渡状态的旋翼非定常气动力数值计算方法.为正确模拟旋翼倾转运动使桨叶受到的附加惯性力及哥氏力作用,重新推导了旋翼倾转时的桨叶气动力模型和挥舞运动方程;为了适合于旋翼倾转时的入流和气动力计算,入流模型中考虑了倾转运动引起的旋翼尾迹弯曲影响.应用建立的方法,首先进行了旋翼配平计算,以验证计算模型,并给出了倾转旋翼的操纵量.然后,着重计算了旋翼在倾转过渡时的拉力.俯仰和滚转力矩随倾转角的变化,分析了倾转飞行时的前飞速度.倾转时间等对旋翼气动力的影响,得出了一些新的结论.     

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明：在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。     

蜻蜓前后翼相位特性和气动干扰的数值研究

 蜻蜓能通过改变前后翼间的相位实现对不同飞行姿态的控制。通过在动态非结构嵌套网格上求解非定常Navier-Stokes(N-S)方程,数值模拟三维蜻蜓模型在悬停(前进比J＝0)和中等前飞速度(J=0.3)两种状态下的流场,每种状态各计算0°~360°间隔30°的13个不同相位。考察气动力和气动功率随相位的变化关系以及前后翼间的气动干扰。结果发现,平均举力和平均气动功率随相位的变化呈U型分布,举力足够用于平衡重力,气动功率也符合蜻蜓真实飞行的统计数据。90°～270°的较宽相位范围内,两翼间的气动干扰较为强烈且比较稳定,该范围内能量消耗较小,功率最省,在一定程度上解释了蜻蜓翼具有特定相位的现象。     

旋转机翼飞机旋翼模式前飞状态干扰气动特性

和传统直升机相比,旋转机翼（CRW）飞机在旋翼模式前飞时各部件之间存在更为严重的气动干扰。为了获得旋转机翼/机身/鸭翼/平尾之间的非定常气动干扰规律,基于运动嵌套网格技术,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程,建立了旋翼前飞流场数值模拟方法。首先对传统直升机旋翼/机身干扰模型进行了计算,验证了方法的可靠性,然后对某旋转机翼飞机全机在旋翼模式前飞状态下的非定常流场进行了数值模拟,并对各个气动部件上的非定常气动力和力矩的变化进行了分析。结果表明：飞机在旋翼模式前飞时,机身部件对旋转机翼的干扰较弱,在经过机身上方时拉力峰值仅略有增加;旋转机翼对鸭翼和垂尾干扰较弱,对机身和平尾干扰较强,随着前飞速度增大,旋转机翼对平尾的干扰会产生较大的升力损失和抬头力矩,需要引起重视。计算结果为该类飞行器的总体综合设计提供了参考。     

飞行器刚体运动与气动弹性相互作用问题研究

通过联立求解空气动力学基本方程、飞行动力学运动方程和弹性结构振动方程,在时间域内模拟和分析了大展弦比飞机纵向动力学稳定性问题。结合动网格技术,气动力计算采用基于欧拉方程的计算流体力学方法,结构变形和飞行姿态位置变化统一为模态表示方法,通过松耦合将飞行器姿态稳定性和结构变形稳定性施行了模拟。以某大展弦比机翼飞机为算例,研究了其刚体运动和机翼的弹性振动的相互影响。结果表明：对于具有大展弦比机翼的飞机,其机翼的低阶弹性模态易与飞机飞行中本身的刚体模态发生耦合,从而导致飞机机翼的气动弹性发散以及飞机本身刚体运动稳定性的改变。对于这类飞机,在其气动弹性和飞行稳定性的分析和设计中必须充分考虑到两种运动的相互影响。     

扑翼机翼气动力和惯性力对翼杆结构变形研究

通过有限元方法探究了机翼上气动力和惯性力对结构变形的影响.研究表明扑翼机翼产生的气动力和惯性力大小在同一量级.机翼惯性力对机翼结构变形具有不可忽视的影响.当机翼处于水平位置时机翼气动力对结构变形贡献最大,同时合力产生的最大变形也出现在机翼水平位置.仿生扑翼机翼结构变形研究为高升力、低能耗扑翼机翼的设计提供了理论指导.      

直升机机动飞行旋翼的气动力模拟

探讨了预测机动飞行旋翼气动力的细节问题。在考察非均匀诱速分布、入流动力学和非定常翼型性能的基础上,建立了一种模拟非定常旋翼气动力的新方法。对某一特定机动科目,首先由逆解技术得到操纵输入和飞行姿态;然后综合应用涡流理论、动力入流理论和非定常翼型气动模型来数值模拟非定常的旋翼气动力。通过样例分析给出了紧急转弯和平飞跃升的计算结果。     

超/高超声速飞行器动态稳定性导数极快速预测方法

飞行器设计早期阶段需要预测大量工况下的动导数。本文发展了一种面向超/高超声速飞行器的动导数极快速预测方法：首先基于当地流活塞理论，将飞行器进行小幅非定常运动所受到的气动力分为受自由来流引起的无附加扰动项以及受物面变形或运动引起的附加扰动项；通过当地表面斜度法、激波后等熵关系求解物面当地流动参数，进而结合非定常运动规律求出飞行器所受非定常气动力；再采用待定系数法对非定常气动力进行提取、辨识，最终得到超/高超声速飞行器动导数。该方法克服了传统方法对CFD流场参数的依赖和耦合，具有极高的计算效率；同时典型算例验证表明，该方法在超声速、高超声速工况下都能够很好预测动导数变化趋势。将该方法应用于复杂外形飞行器动导数预测，并讨论了与CFD方法的误差来源。本文方法可作为高速飞行器总体设计阶段布局选型的工具。