柔性扑翼全机气动结构耦合特性及稳定性研究

由于微型扑翼飞行器具有体积小、重量轻等特点,在飞行过程中会产生明显的柔性变形,因此在对扑翼气动特性进行数值模拟时,有必要考虑柔性变形的影响。基于结构动力学理论,发展了一种适用于扑翼全机气动结构耦合特性的数值模拟方法与一种适用于扑翼的结构动力学求解方法。方法利用哈密顿原理,对动能和应变能进行变分,进而得到扑翼动力学方程,采用结构有限元方法对运动方程进行离散并求解;采用基于嵌套网格的CFD求解器对微型扑翼全机非定常绕流进行数值模拟。采用CFD/CSD耦合求解器对微型扑翼飞行器全机气动结构耦合特性进行数值模拟,分析了结构变形对柔性扑翼气动特性的影响,并分别对扑动过程中刚性扑翼和柔性扑翼的压心变化范围进行研究,分析了结构变形对柔性扑翼稳定性的影响。     

大展弦比柔性机翼的结构与气动耦合特性分析

针对人展弦比柔性机翼，本文提出了一种考虑结构与气动相互耦合的静气动弹性分析方法，通过以下迭代过程得到结构变形和气动载荷的稳定状态：采用亚音速面元法年和核函数法计算气动影响系数和翼面升力：采用有限元技术计算结构变形：采用B样条函数实现结构网格变形到气动网格变形的插值；采用载荷等效的二角形方法进行气动载筒和有限元节点载荷的转换。最后，通过一个后掠翼算例计算了柔性下的静气动弹性响应，并与刚性情况进行了对比。     

柔性扑翼非定常流场的数值计算方法

提出一种将Delaunay图映射网格变形技术和非结构嵌套网格方法结合使用的策略,解决网格变形和嵌套网格单独用于柔性扑翼流场计算时需要网格再生的问题。该方法为嵌套网格中的每个嵌于背景网格的贴体非结构网格生成Delaunay背景图;每个时间步,根据扑翼的运动和变形规律移动背景图,再根据网格点和背景图的映射关系移动网格点,之后自动完成嵌套边界的定义和插值关系的建立。为方便嵌套关系的建立,嵌套网格进行分层管理。也研究了一种内存消耗少、效率较高的搜索算法,以及格心格式和格点格式统一的边界拓宽算法。非定常可压缩Navier-Stokes方程在非结构的动态网格上用有限体积法离散,并用预处理的双时间步推进、隐式LU-SGS迭代求解。几个扑翼算例的结果表明,该方法充分利用了Delaunay图映射网格变形方法的高效率,同时也发挥了嵌套网格处理大幅运动的优势;用于既有整体大幅扑动又有局部小变形的柔性扑翼流场计算,可取得令人满意的精度和效率。     

柔性扑翼气动结构耦合特性数值研究

微型扑翼体积小、重量轻,其柔性变形对气动特性有显著的影响。通过求解雷诺平均N-S方程(ReynoldsAveraged Navier-Stokes,RANS)和结构动力学方程,对微型柔性扑翼飞行器的气动结构耦合特性进行了数值模拟研究。针对微型扑翼的大幅运动,发展了适用于扑翼的气动结构耦合数值计算方法,研究了微型扑翼的气动结构耦合特性。通过求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程得到微型扑翼的非定常气动特性;利用哈密顿原理(Hamilton Principle)推导了扑翼的结构动力学方程,采用结构有限元方法对该动力学方程进行离散并求解,得到扑翼的动态结构特性;采用松耦合方法进行迭代。计算结果与风洞实验结果相比吻合良好,验证了所发展方法的有效性。在此基础上研究了惯性力和关键运动参数对柔性扑翼气动及结构特性的影响规律,有助于比较详细、全面地了解微型扑翼的气动机理,为柔性扑翼的设计提供了参考依据。     

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。     

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%。     

柔性翼微型飞行器水平阵风响应特性实验研究

设计研制了一种飞翼布局的柔性翼和刚性翼微型飞行器,并在风洞中研究了两种微型飞行器在定常风和水平阵风作用下的气动特性,给出了柔性翼和刚性翼微型飞行器气动特性的差别。研究结果表明：不论是在定常风情况下,还是在水平阵风环境下,柔性翼的气动特性要优于刚性翼结构,柔性翼具有延迟失速和缓和阵风影响的能力,有利于稳定飞行。PIV测量结果表明：由于柔性翼的变形使刚性翼和柔性翼翼面上的流态不同,从而使微型飞行器的气动特性发生改变。     

柔性翼微型飞行器气动特性的实验研究

 柔性翼有望提高微型飞行器(MAV)的抗风能力。为进一步了解柔性翼的气动性能,建立MAV数学模型,并为飞行仿真和飞行控制设计做准备,在低雷诺数风洞中对柔性翼微型飞行器进行了风洞试验,同时采用翼型、机翼平面形状和尺寸大小均相同的刚性翼进行了风洞对比试验。对比结果表明：柔性翼相比于对应的刚性翼,失速迎角较大;柔性翼的最大升力系数较大,但是柔性翼的变形在提高升力的同时也增大了阻力,升阻比的情况较为复杂;在较低雷诺数情况下,柔性翼的纵向静稳定性略优于刚性翼;柔性翼的长周期和短周期模态的衰减特性和阻尼特性略优于刚性翼。     

梯形翼风洞试验模型数值模拟技术

基于雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方程和结构网格技术,采用二阶空间离散精度的MUSCL格式,并结合k-ω剪切应力输运(SST)两方程湍流模型和γ-Re_θ转捩模型,研究了梯形翼风洞试验模型中前缘缝翼、后缘襟翼连接装置对气动特性的影响。简要介绍了本文采用的计算方法;介绍了梯形翼的风洞试验模型及风洞试验结果;在网格收敛性研究的基础上,采用"全湍流"方式和转捩模型研究了梯形翼试验模型连接装置对气动特性的影响。通过与不带连接装置的计算结果的对比,采用"全湍流"模拟方式,计算模型中考虑试验模型的连接装置引起升力系数下降、阻力系数下降、低头力矩减小以及失速迎角提前;通过与试验数据的对比,进一步考虑转捩影响可以提高梯形翼风洞试验模型气动特性的计算结果与试验结果的吻合程度,梯形翼风洞试验模型失速迎角附近的气动特性数值模拟技术还需要进一步的研究。     

机翼和翼身融合体跨音速绕流有限元算法的研究

从全速位方程出发研究了机翼和翼身融合体跨音速绕流的有限元算法。给出适用于有限元法和复杂外形的块结构网格生成技术和使单元系数矩阵积分数目减少2/3的方法;并发展了一种内存量少的总体系数矩阵存贮方式。为了提高有限元离散方程组解的精度和加速收敛,提出α—GMRES算法代替传统全速位方程有限元解法中所习用收敛慢的线松弛迭代解法。通过机翼和翼身融合体实例考核,效果是好的,为飞行器先进气动布局的数值计算提供了一种新的有效算法。     

微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响

以西北工业大学自行研制的微型扑翼飞行器ASN211为研究对象,利用其简化的二维扑翼及平尾串列翼模型进行了非定常数值模拟,分析了扑翼俯仰运动及沉浮运动对平尾气动性能的影响。在数值模拟模块中,模型的俯仰运动及沉浮运动由动网格技术实现。通过计算流体力学(CFD)软件Fluent对此非定常流场进行数值计算,重点研究了扑翼非定常运动尾流对平尾气动效率的影响。定常状态与非定常时均条件下平尾升力曲线的对比分析表明,扑翼的非定常运动能够增大平尾的失速迎角及最大升力系数,因而使平尾的失速特性得到改善。     

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。     

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.      

考虑弹性转轴的扑翼三维气动数值计算

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了同时具有扑动和俯仰运动的三维扑翼气动特性.为了模拟扑翼的弹性特性,在扑翼俯仰轴处设计了扭簧.研究了扑翼平面形状、俯仰弹性轴与质心的相对位置、俯仰刚度变化等参数的影响.结果表明:俯仰角相对扑动角有一个大的相位超前量,且刚度系数越大该超前量越大;考虑了俯仰弹性特征后,计...     

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。     

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.     

Extension of analytical indicial aerodynamics to generic trapezoidal wings in subsonic flow

Analytical indicial aerodynamic functions are calculated for several trapezoidal wings in subsonic flow, with a Mach number 0.3 Ma 0.7. The formulation herein proposed extends wellknown aerodynamic theories, which are limited to thin aerofoils in incompressible flow, to generic trapezoidal wing planforms. Firstly, a thorough study is executed to assess the accuracy and limitation of analytical predictions, using unsteady results from two state-of-the-art computational fluid dynamics solvers as cross-validated benchmarks. Indicial functions are calculated for a step change in the angle of attack and for a sharp-edge gust, each for four wing configurations and three Mach numbers. Then, analytical and computational indicial responses are used to predict dynamic derivatives and the maximum lift coefficient following an encounter with a one-minus-cosine gust. It is found that the analytical results are in excellent agreement with the computational results for all test cases. In particular, the deviation of the analytical results from the computational results is within the scatter or uncertainty in the data arising from using two computational fluid dynamics solvers. This indicates the usefulness of the developed analytical theories.     

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.      

悬停飞昆虫拍动翼低雷诺数高升力气动机理研究

采用数值方法对果蝇翼悬停飞行拍动翼问题进行了模拟,介绍了前人生物观察和动态比例模型得来的简化拍动翼运动规律。果蝇翼模型平面形状采用Dickinson动态比例试验采用的形状,计算的无量纲参数根据Weis-Fogh,和Vogel果蝇捆绑飞行的数据得到。分别数值模拟了三种运动模态:超前模式(advanced mode),对称模式(symmetrical mode)和滞后模式(delayed mode)。数值模拟的结果同Dickinson的试验结果和孙茂的数值模拟结果进行了比较,吻合很好,表明本文的计算结果是合理的。根据数值模拟结果,结合气动力系数和流场结构进行分析,研究了果蝇悬停飞行获得高升力的流动机理。     

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.