基于蜻蜓膜翅结构的飞机加强框的仿生设计

由于机动性和能耗的要求,飞机设计过程当中轻量化设计是十分重要的。经过亿万年的进化,在承受自身重量及生长环境的载荷过程中,生物体获得了适应环境的最优结构。通过分析蜻蜓膜翅和飞机机身加强框的结构相似性,提取决定蜻蜓膜翅结构优良力学性能的结构特征,将其应用到飞机机身加强框的设计当中,并用有限元工具验证了结构的优化效果。在同样的承载条件下,仿生型结构的比刚度比原型结构提高了2%~6%,比强度提高了1%~8%。同时,仿生型结构的最大应力减小,而最小应力明显增大,因此其应力分布更加均匀,从而体现了仿生结构件材料的优化分布和最大效能。     

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。     

掠过空中的宝石蜻蜓

夏天，在平原农家的池塘边，在山间的溪流旁，我们都可以见到蜻蜓忙忙碌碌地飞来飞去。轻捷掠过空中的身影宛如飞行的宝石。无论是刘禹锡“蜻蜓飞上玉梢头”的情调，还是杜甫“点水蜻蜒款款飞”的意境，我们的文化里都把它们作为一种可爱的小昆虫。它们款款的倩影，     

蜻蜓翼三维流动结构的演变

为了与蜻蜓前后翼流动干扰的流动结构作比较,首先研究了悬停飞行状态下单个蜻蜓翼周围的三维流动结构,利用一套机电拍动翼运动模拟机构模拟了一个蜻蜓翼的拍动,使用数字体视粒子图像测速技术(DSPIV,Digital Stereo Particle Image Velocimetry)和多切面锁相技术分别测量了两个下拍拍动相位时刻(t=0.25T,0.375T)和两个上拍拍动相位时刻(t=0.75T,0.875T)蜻蜓翼周围的瞬时空间三维流场,运用局部涡识别准则中的λci准则来识别和显示了流场中的三维涡结构,还展示了蜻蜓翼各个展向测量截面中的|ωz|等值线、蜻蜓翼前缘涡的涡核线相对于蜻蜓翼上翼面的空间位置以及前缘涡在各个展向测量截面中的截面环量等.实验结果揭示了蜻蜓翼周围的三维流动结构在蜻蜓翼拍动时的演变历程.     

蜻蜓爬升过程飞行特征实验研究

昆虫真实飞行过程中的飞行特征是仿生流体力学机理研究的基础和关键。本文针对蜻蜓(黄蜻)大、小爬升角2种飞行状态的运动规律和动力学特性展开研究,根据蜻蜓的趋光特性诱导其进行爬升飞行。采用2台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2种爬升飞行过程中蜻蜓身体和翅膀的运动参数,并进行动力学特性对比分析。实验结果表明:蜻蜓在进行大爬升角爬升时需要的上升力大于向前的推力,最大拍动幅度比小爬升角爬升时约大40%;扑翼频率比小爬升角爬升时约大3.3 Hz,前后翅相位差相对于小爬升角爬升时减小20°以上;另外,大爬升角爬升过程中前翅前倾角度更大,这样能够使蜻蜓身体保持更大的俯仰角,翅膀能够获得更大的上升力。      

褶皱结构对蜻蜓后翅的气动特性影响分析

褶皱结构是否能对蜻蜓后翅气动性能产生正面的影响,对蜻蜓后翅气动性能的影响是否与雷诺数(Re)相关。建立接近真实蜻蜓后翅的三维蜻蜓后翅褶皱模型和拥有同样外形的三维平板模型,利用计算流体力学方法分别计算两个模型在不同Re、不同攻角(α)下滑翔飞行时的气动特性。结果表明:褶皱结构的存在会明显提高蜻蜓后翅的升力,但是同时也会增大其阻力;不同Re情况下,褶皱结构对蜻蜓后翅气动性能的影响不同,当Re=1 000,α=0°～25°时,蜻蜓后翅的气动效能始终略优于三维平板;褶皱结构对蜻蜓后翅气动特性的影响与α也相关,α较大时蜻蜓后翅的气动效能略优于三维平板。     

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.     

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%。     

蜻蜓爬升过程间歇性拍动飞行现象的数值研究

采用数值模拟方法研究了蜻蜓双翼做间歇性拍动运动时的气动特征。计算结果表明,在所研究的雷诺数工况下(Re=157),模型翼的平均升力系数和平均推力系数随着间歇占比的增大而减小,前段下降较快,中段下降平缓,后段下降至零。其中平均推力系数受到的影响相对平均升力系数更大,当连续飞行转变为间歇性飞行时,短暂滑翔初期和短暂滑翔稳定阶段均大幅削弱推力系数,共占42.7%;而对于升力系数,短暂滑翔稳定期对升力系数的削弱作用很大,占41.4%,但短暂滑翔初期却对平均升力系数的提高贡献8%。间歇拍动飞行能够提高蜻蜓飞行的升推比,当滑翔时长占间歇飞行周期之比为0.3时,平均升推比接近为1。