扑翼升力特性的非定常涡格法计算研究

针对西北工业大学航空学院微型飞行器研究室研制的PY-1型扑翼机,建立了扑翼的运动模型,并采用非定常涡格法模拟了该扑翼的升力特性,分析了迎角、飞行速度对升力特性的影响。计算结果与实际飞行试验吻合,验证了非定常涡格法模拟扑翼非定常气动特性的正确性和有效性。研究结果可为扑翼机的气动设计提供参考。     

仿鸟型扑翼飞行器气动/结构/飞行力学耦合研究进展

仿鸟型扑翼飞行器在飞行机动性和飞行效率上有巨大发展潜力,是一种具有较高研究价值和应用前景的微型飞行器。由于仿鸟型扑翼飞行器的柔性扑动翼在扑动过程中会产生较大结构变形,同时扑动翼的扑动运动与机体的刚体运动会产生高度耦合,因此需要从气动、结构与飞行力学多学科耦合的角度对该类飞行器的气动特性和飞行稳定性进行分析。针对该类飞行器的气动机理、气动/结构耦合研究、飞行稳定性分析方法以及扑动翼的柔性对飞行稳定性的影响等方面进行了国内外现状的分析和总结。目前仿鸟型扑翼飞行器的发展还面临着诸多难题,尤其在非定常气动机理、气动/结构耦合的尺度律以及气动/结构/飞行力学的耦合方法等方面亟需进一步的突破和发展。     

柔性扑翼微型飞行器升力和推力机理的风洞试验和飞行试验

为探讨柔性扑翼微型飞行器产生升力和推力的机理,在研究考虑柔性大变形扑翼气动力计算方法基础上,利用南京航空航天大学低速风洞进行了不同扑动频率、迎角、速度下微型扑翼升力、推力的变化和动态流场显示等风洞实验,并与计算结果进行了比较分析,为微型扑翼机的设计提供了的参考依据.自行研制的微型柔性结构扑翼机成功地进行了飞行试验.      

可差动扭转扑翼飞行器的设计和风洞试验研究

常规的仿鸟扑翼飞行器在飞行时机翼只是单纯地上下扑动。为提高扑翼飞行器横航向和航迹控制的品质,设计了一种机翼在扑动的同时可差动扭转的仿鸟扑翼飞行器;在低速风洞中对其进行了一系列测力试验,研究了可差动扭转扑翼飞行器的升力、推力特性,以及机翼差动扭转角、扑动频率、风速、机翼柔性对滚转力矩系数的影响;对设计的扑翼飞行器做了飞行试验,验证了设计的可行性,并与常规扑翼飞行器作了对比,试验结果表明：可差动扭转扑翼可以用于扑翼飞行器的横向控制,并且可以提高其抗风能力和航迹控制精度。     

多段柔性变体扑翼飞行器设计

多段柔性变体扑翼模仿海鸥翅膀的复杂运动.观察海鸥翅膀的运动周期,设计了包含慢频率扑动、展向折弯、弦向扭转和结构柔性变形的扑翼模型,并应用准定常方法计算气动力,为该扑翼飞行器设计提供依据.在CATIA和3DMAX中设计多段柔性变体扑翼机的三维模型和运动模拟,制作样机进行飞行试验,研究其平飞、爬升、偏航等飞行姿态,结果表明升力和推力与数值计算结果吻合.相较于原有扑翼飞行器,多段柔性变体扑翼飞行器可以慢频率扑动飞行,调整扑翼形状.      

基于非定常涡格法的扑翼飞行器气动特性优化

旨在为柔性扑翼飞行器的翼面选型与设计提供一定依据,研究其气动优化.建立了扑翼的非定常涡格法(UVLM)尾涡模型;采用面向对象的编程技术对该模型进行求解并引入GPU流式编程技术实现了UVLM并行计算,使其执行效率提高了3倍;以升力和推力的最大化为目标,并采用模式搜索法对扑翼的扑动与俯仰运动相位差、扑动频率与柔性扭转角以及翼面结构进行了优化.结果显示,要获得尽可能大的气动推力,翼面应设计成倒梯形且其外翼段应具较大面积,要使升力最大化则需将翼面设计成正梯形布局并应使内翼段面积较大;为进一步提高FMAV推力,应在增大扑动频率的同时适当减小翼面的柔性扭转角.研究表明,内嵌UVLM的模式搜索法可望成为FMAV气动优化的一个重要工具.     

扑翼飞行器非定常气动特性研究

为了研究复杂的非定常运动状态下扑翼飞行器翅翼的气动特性,针对自行研制的一种仿鸟扑翼飞行器建立了翅翼二维非定常空气动力学模型.基于该模型,通过用MATLAB编制计算升力系数和推力系数的程序,计算并分析了各运动参数对升力和推力特性的影响.结果表明,相位差对推力系数的影响较大,而升力系数随迎角的变化较快.     

一种仿生扑翼飞行器的设计及动力学分析

为了提高仿生扑翼飞行器设计水平,弄清仿生扑翼飞行器的动力学特性、改善其飞行性能,设计了一种折展翼仿鸟扑动飞行样机,并对其动力学特性进行了分析。通过仿生方式设计了基于曲柄连杆的折展扑动机构,建立了扑翼机构的运动学模型,得到了相关运动学参数,并采用拉格朗日方法,推导出扑翼扑动时的动力学模型。基于条带方法对该扑翼的气动力、气动力矩载荷进行估算,分析了折展扑翼非对称扑动时翼翅气动力矩变化规律,结果表明:与一般直扑翼相比,折展翼在上扑阶段受到更小的阻力,因而扑翼扑动过程中能够获得更大的升力。基于ADAMS软件包,对扑动机构关键铰接位置的力学特性进行分析,为优化扑动机构、提高其结构强度提供重要参考。      

微型扑翼飞行器的升力风洞试验

针对微型扑翼飞行器在专门的低雷诺数试验风洞中进行了扑翼的升力风洞试验, 测试出了微型扑翼飞行器在正常飞行以及向上爬升状态时的升力特性曲线, 并且探讨了扑翼频率、飞行速度以及扑翼的迎角对扑翼飞行升力的影响, 在此基础上, 还分析了扑翼升力的组成部分以及相互关系.实验结果为微型扑翼飞行器总体、气动的进一步设计提供了依据.      

微型扑翼低雷诺数绕流气动特性研究

针对微型扑翼所处典型飞行状态,数值模拟研究了微型扑翼绕流的低雷诺数气动特性.基于结构化嵌套网格求解了预处理后的三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,空间离散采用了中心格式有限体积法,非定常时间推进为双时间法.通过与文献低雷诺数扑翼的试验值对比验证了本文算法的有效性,接下来通过大量计算研究了关键气动参数和展向折叠扑动模式的影响规律.研究结果表明迎角、扭转角和折叠扑动对升力影响较大,扭转角和减缩频率对推力影响较大.本文的研究得到了微型扑翼气动力特性的机理性结论,有助于理解微型扑翼飞行原理,为设计微型扑翼提供了参考依据.     

压电致动器扑翼结构动力学仿真

采用传统扑动机构的微型扑翼,气动效率低、扑动能耗大。采用压电致动器的微型扑翼通过压电材料进行致动使机翼产生上下扑动,有效地将扑动机构和机翼两个主要系统进行集成,不仅节省重量,同时它具有任务变形自适应能力强、气动效率高和扑动能耗小的特点。通过PCL语言建立采用压电致动器的扑翼有限元模型,结合同尺寸扑翼气动力试验数据,进行采用压电致动器扑翼结构仿真。利用仿真结果研制采用压电致动器扑翼原理样机,研究表明,采用压电致动器后扑翼扑动频率得到明显提高,压电片可有效控制机翼的弯扭变形,有助于提高扑翼的气动效率。     

扑翼非定常运动对平尾影响及俯仰力矩特性研究

为了研究微型扑翼飞行器尾流对其平尾设计、飞行器稳定性以及飞行控制的影响,选取微型扑翼飞行器ASN-211为原模型,采用将其简化为二维的前后串列翼模型进行具体计算和分析。首先以Fluent动网格技术为背景,在用户自定义函数控制扑翼的非定常运动条件下进行不可压、非定常二维流动的计算,并研究在扑翼非定常运动条件下的模型的俯仰力矩特性。然后通过计算不同来流攻角、扑翼扑动频率、扑翼与平尾间距以及不同力矩中心下扑翼、平尾及总的力矩系数,讨论各个参数对力矩特性的影响。最后得出不同的扑翼扑动频率以及扑翼与平尾间距将会对平尾与扑翼的俯仰力矩间的相位差产生影响,所得结论为扑翼飞机的重心布置设计提供参考。     

微型扑翼飞行器扑翼/尾翼气动干扰的数值研究

以二维刚性约束条件下的微型扑翼飞行器模型为研究对象,在动网格技术基础上,应用非定常数值分析手段对比分析了单翼/纵列翼布局的气动性能,深入研究了纵列翼缩减频率、扑翼—尾翼无量纲水平间距、来流攻角对其气动性能的影响.结果表明:①纵列翼尾翼对扑翼产生正效应干扰,相对于单翼布局,扑翼—尾翼无量纲水平间距为0.5倍翼型弦长时的纵列翼布局的推力系数和推进效率分别增加28.7%和5.7%;②缩减频率是影响推力的关键参数,随着缩减频率的增加,脱落涡的强度增加,推力系数增大.对于单翼、纵列翼两种布局模式,当缩减频率在1.0附近时推进效率达到最优;③对于纵列翼布局,在扑翼—尾翼无量纲水平间距为1.1倍翼型弦长时推进效率达到峰值;④在0°~20°来流攻角变化范围内,随着来流攻角的增加,升力系数增加,推力系数减小,当来流攻角大于9°时,两种布局的推力均为负值.      

扑翼飞行器动力系统建模方法

为快速评估扑翼飞行器的航时,便于针对不同扑动翼进行动力系统设计与优化,逐步减少实物验证与试飞,加快扑翼飞行器的研制,基于实验数据参数辨识的方法建立了包含直流无刷电机、电调（ESC）、锂电池和扑动机构等扑翼飞行器动力系统组件的动态模型,其中电机模型相对误差小于10%,锂电池动态模型相对误差小于6%;提出了一种基于风洞试验气动数据和功率数据的扑动轴瞬时气动载荷半经验高精度建模方法,解决了气动载荷测量较为困难的问题,模型确定系数大于0.89;集成以上模型后的扑翼飞行器仿真系统还包含扑动翼周期平均气动模型、平尾气动模型和纵向控制模型,确保仿真在动态配平状态下进行,可进行全任务剖面航时仿真,航时仿真与实际试飞结果相比误差小于3%。集成的扑翼飞行器仿真系统采用模块化建模思想,各模型参数独立可调,能进一步应用于扑翼飞行器多学科优化等研究。     

三维仿生悬停扑翼的时间非对称扑动气动特性

基于对现有黄蜂飞行观察实验的分析，建立了不同下扑和上挥时间非对称扑动悬停扑翼运动轨迹模型，并采用数值求解三维层流Navier-Stokes(N-S)方程的方法，研究了采用不同下扑和上挥时间比的仿生悬停扑翼气动特性.结果表明采用适当的时间非对称扑动可以增强悬停扑翼的气动性能.进一步通过对不同时间非对称扑动扑翼流场分析得出，采用时间非对称扑动不但可以增强使扑翼产生高升力的旋转环流机制，而且还可以增强扑翼表面涡流和展向流的强度,从而使扑翼具有更好的气动性能.      

单自由度扑翼模型脱落涡及其升力机制的实验研究

采用色流实验与particle image velocimetry(PIV)测量相结合的方法,对单自由度扑翼模型所产生的脱落涡进行实验研究,得到以下结论:①在扑翼上扑或下扑的过程中,前后缘处产生连续的牛角形涡环,且脱落涡均存在展向运动.②翼翅表面脱落涡的交替产生,使得翼翅上下表面交替产生不对称分布的压力差.③研究对象产生升力的条件是攻角与来流速度均不为零.④扑翼上扑和下扑过程中,脱落涡环量最大值均出现在单行程的3/5处.⑤脱落涡环量与扑动速度成正比.⑥相比上扑过程,下扑过程中翼翅对流场做功更多,在一个扑动周期内,这多余的能量转换为扑翼升力.     

主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究

主动变形扑翼可以模仿鸟翼飞行时的复杂运动。为了了解主动变形扑翼飞行器的气动特性,在研究鸟类骨骼结构和翅膀及尾翼运动规律的基础上,设计并制造了一种基于机器人技术的主动变形扑翼飞行器;给出了主动变形扑翼飞行器的机构运动规律函数,并设计出机构运动控制系统;在低速风洞中对此飞行器进行了一系列测力试验,研究了主动变形扑翼的升力、推力特性,以及风速、扑动频率、扑动幅度、伸展相位等参数对升力和推力的影响,并与常规扑翼进行了对比分析。试验结果表明,较之常规扑翼,主动变形扑翼可以显著增加升力和增强对不同飞行状态的适应能力。     

Recent progress in flapping wing aerodynamics and aeroelasticity

Micro air vehicles (MAVs) have the potential to revolutionize our sensing and information gathering capabilities in areas such as environmental monitoring and homeland security. Flapping wings with suitable wing kinematics, wing shapes, and flexible structures can enhance lift as well as thrust by exploiting large-scale vortical flow structures under various conditions. However, the scaling invariance of both fluid dynamics and structural dynamics as the size changes is fundamentally difficult. The focus of this review is to assess the recent progress in flapping wing aerodynamics and aeroelasticity. It is realized that a variation of the Reynolds number (wing sizing, flapping frequency, etc.) leads to a change in the leading edge vortex (LEV) and spanwise flow structures, which impacts the aerodynamic force generation. While in classical stationary wing theory, the tip vortices (TiVs) are seen as wasted energy, in flapping flight, they can interact with the LEV to enhance lift without increasing the power requirements. Surrogate modeling techniques can assess the aerodynamic outcomes between two- and three-dimensional wing. The combined effect of the TiVs, the LEV, and jet can improve the aerodynamics of a flapping wing. Regarding aeroelasticity, chordwise flexibility in the forward flight can substantially adjust the projected area normal to the flight trajectory via shape deformation, hence redistributing thrust and lift. Spanwise flexibility in the forward flight creates shape deformation from the wing root to the wing tip resulting in varied phase shift and effective angle of attack distribution along the wing span. Numerous open issues in flapping wing aerodynamics are highlighted.