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。     

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.      

三角翼和双三角翼前缘涡及其卷吸作用的计算

本文提出一种计算模型,用以计算亚声速大迎角下前缘分离机翼的流动和气动特性。通过在涡轴上分布线涡/线汇,这种计算模型包括了对前缘自由涡面、涡核及涡的卷吸作用的模拟。由于它是在非线性离散涡法的基础上发展起来的,因而具有计算过程简捷的特点。对三角翼及双三角翼气动特性的计算表明,计算值与实验值符合得相当好。计算还表明,在计算中计及和不计及涡的卷吸作用能引起计算载荷相当大的变化。     

非定常自由来流对静态三角翼气动特性的影响

在南航非定常风洞中,运用动态测力、测压和流动显示技术,详细研究了非定常自由来流对静态三角翼气动特性的影响和三角翼背风面空间流场结构的变化.研究结果表明,在不同攻角下,随来流速度的脉动三角翼气动特性产生的变化不同.非定常自由来流对静态三角翼气动特性产生的影响,主要是由于来流风速的变化对三角翼上翼面的流动结构产生的影响所造成,特别是在静态失速攻角前后,这种影响最为明显,它使原先翼面上的破碎涡流变成了集中涡流.     

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。     

PIV测量非定常自由来流中的三角翼前缘涡

在南航非定常风洞中,运用PIV测量技术,研究了非定常自由来流下三角翼前缘涡瞬时涡结构的变化。通过分析三角翼前缘涡速度矢量、涡量以及流动拓扑结构的变化可知,在减速过程中,破裂的前缘集中涡重新卷起,形成涡量较强的集中涡,横截面流动拓扑结构显示,流动结构从不稳定的焦点变成稳定的极限环,这也就说明前缘集中涡的破裂点位置向下游移动;在加速过程中,集中涡很快破裂,涡量随之减小,流动拓扑结构从稳定的极限环变成不稳定的焦点,前缘集中涡的破裂点位置向上游移动。分析认为外部压力梯度的变化可能是导致涡破裂位置移动的原因。     

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。     

昆虫级褶皱翼型的滑翔气动特性

为了研究褶皱翼型上、下表面分别对气动力的影响,在弦长雷诺数为1200,攻角为0°~20°时,采用有限体积法研究了褶皱翼型、光滑翼型、上表面光滑的褶皱翼型和下表面光滑的褶皱翼型的滑翔气动特性.结果表明:在一定攻角范围内,褶皱翼型的升力系数较光滑翼型提高了10%;只要翼型下表面是褶皱的,产生的升力总大于下表面是光滑的,下表面褶皱对升力的提高具有更大作用;在大攻角下,光滑的上表面更有利于提高升力;在任何攻角时,上、下表面褶皱对阻力影响很小.      

一种仿蜜蜂类昆虫扑翼悬停控制的仿真估算研究

基于准稳态气动力模型,推导了仿蜜蜂类昆虫扑翼气动力和力矩估算公式,建立了扑翼运动函数.将仿蜜蜂类昆虫扑翼视为空间运动刚体,在其动力学方程基础上,采用分层控制策略研究悬停控制问题.外层为位置控制,X和Y位置应用PD控制算法,Z位置应用切换控制方法;内层姿态控制采用切换控制方法,并选择了一套机翼运动参数用于切换控制.最后进行了仿蜜蜂类昆虫扑翼悬停控制仿真试验,试验结果表明所设计的控制策略是有效的,一旦昆虫扑翼受到干扰偏离平衡位置后,通过自动调节能够回到平衡位置附近.      

翼身相对厚度对小展弦比飞翼布局跨声速气动特性及流动机理的影响研究

为研究翼身相对厚度对小展弦比飞翼布局气动特性以及涡流特性的影响,基于已有试验结果的翼身相对厚度为0.16的65°后掠小展弦比飞翼布局,在保持前缘半径和外翼剖面形状相同情况下,通过降低飞翼布局的翼身厚度使其翼身相对厚度为0.08,在马赫数0.9条件下开展了翼身相对厚度影响的数值模拟研究。数值模拟结果表明,在相同迎角条件下,翼身相对厚度对飞翼布局前缘涡在翼面上形成的位置和涡强有较大的影响,翼身相对厚度较小时前缘涡形成的位置越靠近前缘;在前缘(约x/Cr=0.25之前)翼身相对厚度较小布局的涡核强度明显高于翼身相对厚度较大布局,且在前缘涡破裂之前,翼身相对厚度较小布局涡核强度沿弦向变化较为平缓,升力线斜率下降迎角较翼身相对厚度较大布局推迟约8°。研究结果还表明跨声速时,前缘涡的破裂主要与激波的干扰有关,当前缘涡穿过激波时,涡强和涡核轴向速度迅速降低,当涡核轴向速度降为0时,前缘涡破裂。     

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。     

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.     

扑翼微型飞行器飞行姿态模型研究

扑翼微型飞行器飞行质量主要取决于能否对其飞行姿态进行有效控制, 而建立准确的飞行姿态模型尤为重要.通过对鸟和昆虫的飞行机理尤其是其飞行过程中翅膀的运动规律进行研究, 并考虑机械设计方面的因素, 对扑翼微型飞行器的飞行姿态建立了较为完整的动力学模型和数学模型.由分析可知机身所受外力为空气动力、重力和机翼作用于机身的驱动力, 而采用扑动与扭转两个自由度飞行的机翼所产生的驱动力是由瞬时平移力和扭转循环力合成的瞬时空气动力.数值仿真证实了动力学模型的正确性.      

基于PD控制的仿昆虫扑翼样机研制

仿昆虫微型扑翼飞行器（FW-MAN）可以模仿昆虫悬停、垂直起飞以及侧飞等飞行姿态,从而适应复杂多障碍环境,具有广阔的应用前景。成功设计研制了一款重23.8 g,翼展18 cm,扑动幅值180°,扑动频率可达22 Hz的可垂直起飞的仿昆虫微型扑翼飞行器。采用曲柄摇杆与滑轮的组合机构作为样机扑动机构以解决原有样机扑动方案存在高摩擦及结构复杂等问题,样机翅翼设计为具有扭转角度的柔性翅翼从而使样机具有更高的气动效率。考虑到现有的姿态调节机制存在增加机构复杂度问题,基于翅翼扭转的姿态调节机制,设计了相应的控制调节机构,并搭建了样机气动力测量平台和姿态调节平台。气动升力与姿态力矩测量结果表明,样机翅翼可提供足够升力,姿态调节机制具有可行性。在此基础上,选取PD （Proportional Differential）控制律作为样机控制方式,为解决参数调定耗时及直接试飞样机不易观察控制效果问题,基于姿态调节平台获取了初始控制参数,然后对样机进行了多次试飞实验,并多次调定参数,最终实现了样机稳定垂直起飞。     

基于空间RURS机构的三维仿生扑翼机构设计与分析

为实现仿昆虫翼尖的空间“8”字型运动轨迹,设计了一种基于空间revolute-universal-revolute-spherical(RURS)四杆机构的扑翼机构,通过单自由度驱动即可输出三维的空间“8”字轨迹。运用Denavit-Hartenberg参数法建立了空间四杆机构的运动学模型,利用遗传算法对机构进行了优化,得到了利于扑翼飞行的机构参数。基于该空间四杆机构的优化结果,建立了一种微型的扑翼机构虚拟样机,通过ADAMS仿真得到其输出运动并验证了运动学理论计算的正确性。所设计的扑翼机构扑动幅度达到149.8°,扭转角度达到29.9°,且“8”字型扑动规律与昆虫翅膀的运动更为相近。扑翼机构的最大尺寸不超过5.8cm,仿真发现的时间非对称扑动对气动性能有一定提升,对于微型化、轻质化、高效化扑翼飞行器的研究具有重要的参考价值。      

模型跟踪和涡流控制在飞翼布局飞机上的应用

为增加小展弦比飞翼类布局飞机的操纵特性,并满足其对隐身性能的要求,将模型跟踪控制器和涡流控制器进行综合使用.模型跟踪是一种提高系统闭环响应并跟踪驾驶员指令的方法,通过此方法可使动态特性较差的飞机对动态特性较好的飞机输出进行跟踪,由此来改善飞机的动态特性.增加涡流控制可以进一步扩展模型跟踪控制的作用效果,涡流控制器使用变步长神经网络进行训练.结果表明,两种方法的综合使用可以有效地提高飞机的动态特性,通过增加涡流控制后,进一步增加了模型跟踪控制的作用效果.     

微型飞行器低雷诺数矩形扑翼非定常气动特性的数值模拟

采用双时间步方法求解三维可压缩非定常N-S方程,数值模拟了微型飞行器低雷诺数矩形扑翼的非定常绕流,首先将得到的结果与文献进行了对比,数据间具有较好的一致性.然后针对不同的展弦比、减缩频率及初始攻角,计算了矩形扑翼的非定常气动特性及表面流态和动态压力分布,并分析了翼尖涡对扑翼非定常气动特性的影响.     

Transonic wing stall of a blended flying wing common research model based on DDES method

Numerical simulation of wing stall of a blended flying wing configuration at transonic speed was conducted using both delayed detached eddy simulation(DDES) and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(URANS) equations methods based on the shear stress transport(SST) turbulence model for a free-stream Mach number 0.9 and a Reynolds number 9.6 × 10~6. A joint time step/grid density study is performed based on power spectrum density(PSD) analysis of the frequency content of forces or moments, and medium mesh and the normalized time scale0.010 were suggested for this simulation. The simulation results show that the DDES methods perform more precisely than the URANS method and the aerodynamic coefficient results from DDES method compare very well with the experiment data. The angle of attack of nonlinear vortex lift and abrupt wing stall of DDES results compare well with the experimental data. The flow structure of the DDES computation shows that the wing stall is caused mainly by the leeward vortex breakdown which occurred at x/x_(cr)= 0.6 at angle of attack of 14°. The DDES methods show advantage in the simulation problem with separation flow. The computed result shows that a shock/vortex interaction is responsible for the wing stall caused by the vortex breakdown. The balance of the vortex strength and axial flow, and the shock strength, is examined to provide an explanation of the sensitivity of the breakdown location. Wing body thickness has a great influence on shock and shock/vortex interactions, which can make a significant difference to the vortex breakdown behavior and stall characteristic of the blended flying wing configuration.