机械蜻蜓悬停时的气动力实验研究

为研究蜻蜓等有两对翼的昆虫前后翼相互干扰下的气动力,设计并制作了一个可以模拟蜻蜓悬停的3种拍动模式的机电模型,并以此进行一系列实验,对前后翼相互作用的流场进行了观测。采用染色液流动显示的方法,定性观察了后翼前缘涡在各种不同拍动模式和不同翼间距离时的发展过程,对模型翼在各种拍动模式下的气动力进行了定量测量,并分别从流场结构和力学性能两方面对两翼间的干扰作用进行了分析讨论。     

基于蜻蜓翅几何及刚度相似性的仿生扑翼结构

目前对于扑翼和扑旋翼飞行器的研究主要致力于实现仿生拍动模式的机构设计和气动特性分析，对昆虫翅的研究主要在微观尺度的生物学构成以及材料和力学特性。采用主成分分析法可建立昆虫翅展向抗弯刚度与几何形态参数之间的关系。以仿蜻蜓翅的扑翼设计为例，根据蜻蜓翅脉的分布可设计具有几何相似性的扑翼模型，进而基于蜻蜓翅的展向抗弯刚度实验结果建立仿蜻蜓翅扑翼设计的刚度相似性准则，以刚度相似性为约束对扑翼进行结构优化，分别制作了仅具有蜻蜓翅刚度相似性的矩形扑翼（JX-翼）、仅具有蜻蜓翅几何相似性的扑翼（JH-翼）、基于蜻蜓翅几何相似性和刚度相似性的仿生扑翼（GD-翼），并采用扑旋翼模型分别对这3种扑翼在5～15 Hz的拍动频率范围内进行了升力测试实验。结果表明，基于几何相似性及刚度相似性设计的GD-翼在12.5 Hz拍动频率时产生的升力比仅基于刚度相似性的矩形JX-翼提高25%，在低于6.5 Hz时与仅基于几何相似性设计的JH-翼相近，但在高于8 Hz时比JH-翼的升力大2倍以上。基于蜻蜓翅的几何相似性和刚度相似性的扑翼结构设计方法为提高仿生扑翼和扑旋翼的气动升力和效率提供了新的路径。     

粘弹性蜻蜓型翼挥拍的流固耦合求解途径初探

昆虫翼挥拍时的动态变形与受到的惯性力和气动力是相互影响的,这是一个复杂的流固耦合过程,本文利用简化的非定常气动力估算方法、简化的昆虫翼结构模型和简化的拍动方式,对该问题的耦合求解途径做了初次探索.首先,在比较了昆虫翼拍动中受到的惯性力和气动力大小的基础上,阐明了耦合求解蜻蜓翼变形过程的必要性.其次,提出一个迭代求解该耦合问题的简化方案,并利用有限元数值模拟了粘弹性蜻蜓模型翼绕定轴往复挥拍的变形过程,比较了耦合气动力前后的模型翼变形,并初步分析了能耗变化.     

基于沉浸边界法的二维拍动翼数值模拟

运用沉浸边界法对二维拍动翼流场进行了数值模拟,系统地分析了最大俯仰角、拍动频率和升沉俯仰运动的相位差等参数对拍动翼流场的影响.结果显示:当达到一定条件时,尾流出现反卡门涡街,使机翼得到正的推力而产生逆流前行的趋势.在本文的研究范围内发现,拍动翼的平均推力系数随最大俯仰角的增大先增大后减小,随着频率的增大而增大,同时,拍动翼的推进效率随最大俯仰角的增大而增大,随拍动频率的增大而减小,且当升沉俯仰运动的相位差在90°～100°之间时,存在着最大推进效率.本文所得结果为进一步研究鸟类飞行和鱼游等仿生力学提供了理论基础.     

基于CFD/CSD方法的蜻蜓柔性翼气动特性分析

给出了一种基于计算流体力学/计算结构力学（CFD/CSD）的双向流固耦合方法.通过交替数字二叉树（ADT）搜索技术识别流固网格之间的宿主-受体关系.采用局部插值算法完成两套网格系统之间的数据交换,并使用Delaunay图映射方法来完成气动网格的移动.将自编的非线性结构有限元程序、接口程序与南京航空航天大学（NUAA）微型飞行器中心的流体计算程序3D2MUFS相连接,应用于蜻蜓柔性翼拍动飞行的气动计算中.计算结果表明:柔性变形使得蜻蜓翼的时均举力系数从0.31提高到0.53,时均推力系数从0.07提高到0.13,证实了柔性变形能改善扑翼的气动性能.      

扑翼飞行高升力机制仿真及对比分析

扑翼飞行生物因其高效的飞行方式和灵活的机动性能,受到越来越多学者的关注和研究。针对扑翼飞行生物如何利用非定常空气力学,通过拍动翅膀实现高升力达到与自身重力平衡的问题,系统分析了扑翼飞行生物高升力机制,对每种高升力机制在扑翼飞行器样机上的应用进行了总结,并建立了高升力机制翼面拍动的运动学模型,对比分析了三种高升力机制的特点和差异。仿真分析得出每种运动学模型翼面拍动轨迹,可为扑翼飞行器翼面驱动机构的设计提供参考。     

低雷诺数下展弦比对仿生拍动翼推进性能的影响研究

研究自然界中生物的非定常运动对于人类开发新概念飞行器和水下航行器具有重要指导意义。本文采用浸入边界格子玻尔兹曼方法(IB-LBM),发展了一套三维IB-LBM并行求解器。以NACA0012仿生拍动翼为对象,在中国天河2号超级计算机上对不同展弦比在低雷诺数条件下对其推进性能影响进行大规模数值。捕捉到了NACA0012拍动翼尾迹区中的精细涡系结构及其演化过程,给出了NACA0012翼拍动过程中产生的非定常力的变化趋势。研究结果表明:随着展弦比增加NACA0012拍动翼尾迹区中涡系结构二维效应越发明显,而其推进性能则随着展弦比增大先增加后减小。因此在设计仿生扑动翼时必须仔细选择仿生翼的展弦比。     

昆虫翅悬停飞行中的三维空间旋涡结构

昆虫(果蝇)悬停飞行中,翅膀按照特定的拍动方式往复运动,产生非定常高升力维持身体的平衡.研究昆虫高升力机理,需要探索拍动翼运动引发的三维空间非定常流场的特性,尤其是三维空间非定常涡的发展变化过程.本文将氢气泡流动显示技术应用于动态模型实验,定性的观察拍动翼前缘涡(LEV)的发展破裂过程.并利用数字体视粒子图像测速,DSPIV(Digital Steroscopic Particle Image Velocimetry)技术,测得了拍动翼运动瞬时相位和相位平均的三维空间流场信息(速度向量场、截面涡量场、空间涡量场,以及三维空间流线),揭示了拍动翼展向流动的存在,并结合定性和定量方法多角度说明了前缘涡沿展向发展到破裂的流动结构,并说明了侧缘涡与前缘涡的相互影响.测量结果表明:在雷诺数960的情况下,拍动翼运动至相位时,翼面上前缘涡在距翼根约60%展长的位置发生破裂;翼根至破裂点之间,展向流动稳定,指向翼梢;破裂点以后,展向流改变方向,指向翼根.     

海鸥翼折转运动的数值模拟及分析

扑翼的非定常流动及气动特性分析对微型飞行器设计具有重要意义。本文采用动态混合网格技术以及非定常数值计算方法,对海鸥翼的拍动过程进行了数值研究。采用基于径向基函数的插值技术实现网格的变形,为了提高插值效率,发展了基于最大物面误差的参考点选择算法。基于文献观测数据建立了海鸥翼的三维模型,并设计了相应的拍动以及变形规律,对拍动角、折转角的影响进行了分析。分析结果表明,折转角可以减小上拍过程的不利影响,对提高整个扑翼周期的时均升力、减少时均阻力和能耗是有益的。进一步通过调整折转的相位来增加翼的折转时间,并减少其展开的时间,对提高扑翼过程的平均气动力特性是有益的。     

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%。