微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗

 用数值模拟方法研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。由N S方程的数值解提供速度场和压力场,从而得到涡量、气动力和力矩 (惯性力矩用解析方法计算 )。基于流场结构,解释了非定常气动力产生的原因;基于气动力和力矩,得到需用功率。悬停飞行中揭示出的 3个非定常高升力机制 (不失速机制,拍动初期的快速加速运动,拍动后期的快速上仰运动 )在前飞时仍然适用 (即使在快速前飞时,V∞ =2～ 2.5m/s,失速涡也不脱落 )。在低速飞行时 (V∞ ≈ 0.5m/s)平衡重量的升力既来自于翅膀的下拍运动也来自于上挥运动,并主要由翅膀的升力贡献;克服身体阻力的推力主要来自于翅膀的上挥运动,由翅膀的阻力贡献。在中等速度下 (V∞ ≈ 1.0m/s),升力主要来自于下拍运动,其中一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献;推力主要来自上挥运动,也是一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献。在快速飞行时 (V∞ ≈ 2.0m/s),升力主要来自于下拍运动,主要由翅膀阻力贡献;推力来自上挥运动,主要由翅膀升力贡献。悬停时,下拍和上挥做功同样大;前飞时,下拍做功较上挥大得多 :V∞ =0.5,1.0和 2.0m/s时,下拍做的功分别是上挥的 1.6,2.6和 3.5倍。     

电飘机升力机制和效率的研究

实验测量了电飘机在不同电压和电极几何参数情况下的升力值.采用离子风现象解释了电飘机的升力机制,在此基础上利用一维电流体动力学方法推导了升力和升力效率的公式.理论分析结果和实验值吻合良好,电飘机中升力的来源依赖于电晕电流的形成,并与电晕电流的大小相关.在电压不太高时,升力大小随电压的升高而增大,并大致呈抛物线关系,与电极间距成反比关系,与电极长度成正比关系.分析了空气参数对电飘机升力和效率的影响,发现减小离子在空气中的迁移率是提高效率的有效方法,但同时降低了升力.分析了电飘机的应用前景.      

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...     

重于空气的超大型飞艇运输机

由 DARPA 负责研制的“海象”(walrus)项目,已经从过去的轻于空气的飞艇飞行器(参见本刊今年第6期),演进为重于空气的浮力-升力混合的超大型运输机,并且已经进入了第一阶段的研究。所以尽管“海象”的外形仍酷似飞艇,但是它的飞行机理却是集空气动力、浮力和推力矢量于一体的可控飞行器。     

多叶片螺旋翼模型研究

通过计算机构建叶形相同但叶片数量不同的螺旋翼,并且使用流体力学软件进行仿真.仿真结果显示平均单个叶片的升力与叶片的数量成反比例关系.引入空气角速度变量,加入惯性和延迟环节以改进以前的模型.改进后的模型不仅可以计算多叶片螺旋翼的升力,而且可以计算转速变化过程中升力变化的暂态过程.     

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.     

试飞中如何得到校准空速

<正>空速是指飞机相对于空气的速度,是计算飞机空气动力的必要参数,也是飞机航程推算的重要依据。我们都知道飞机的升力来源于流过机翼上下表面的气流速度差导致的气压差,因此空速决定了升力的大小,没有空速,升力便会消失,飞机就会从天上掉落下来。而在实际的飞机飞行中,空速却有多个“分身”—真空速、指示空速、校准空速……不能傻傻分不清楚。     

负升力返回时航天器的再入走廊与轨迹研究

研究了较大升阻比航天器采用负升力返回时的再入走廊与最优轨迹，通过数字仿真并与正升力再入时的结果比较，得到结论：采用负升力再入时的返回走廊前１／３段比采用正升力的相应部分宽度有较大增加；离轨点所耗燃料质量与热防护系统质量之和较正升力再入时的情况有一定减少。由此可见，负升力再入概念在提高有效载荷上明显优越于正升力再入概念。     

高升力标模确认计算研究

针对高升力标模NASA Trapwing全展襟翼构型展开确认计算研究。采用N-S方法,预测高升力模型的流动状态,分析高升力的流动现象及机理,评估自主研发的WiseManPlus软件及WoF90软件预测高升力流动的能力。通过对网格生成、计算策略及数据分析等各个环节进行分析,制定出一套适用于高升力模型工程应用的CFD计算方法,得到与实验值吻合较好的计算结果。结果表明,目前所采用的结构网格求解器WiseManPlus软件及混合网格求解器WoF90软件计算精度相当,适用于模拟高升力流动。     

直升机旋翼系统载荷分析技术

直升机的飞行过程是一个复杂机械集合体在空气动力作用下进行复杂运动的过程,文中采用二阶升力线方法,进行非线性空气动力学动态/静态分析,通过弹性/刚性梁单元 弹簧连接件的处理方法和多体动力学方法,计算旋翼空气动力学和结构动力学的耦合影响。     

基于ADINA的轿车外部流场计算

对汽车外部流场进行计算流体力学(CFD)分析已成为现今车身设计的必要环节。计算轿车的外部流场,将计算流体力学软件ADINA与CATIA相结合,利用CATIA软件获得轿车三维模型,将其导入ADINA软件中,采用RNG K-ε模型,对两种不同车速40m/s和20m/s情形进行计算机仿真和后期处理,获得轿车外部流场的压力分布、流速分布云图、空气阻力和空气升力,进而得到该轿车模型的空气阻力系数为0.59,20m/s和40m/s速度载荷下的空气升力系数分别为0.013和0.133,依此为汽车车身设计提供依据。     

负升力返回时航天器的再入走廓与轨迹研究

研究了较大升阻比航天器采用负升力返回时的再入走廓与最优轨迹，通过数字仿真并与正升力再入时的结果比较，得到结论：采用负升力再入时的返回走前１／３段比采用正升力的相应部分宽度有较大增加，离轨点所耗燃料质量怀热防护系统质量之和较正升力再入时的情况有一定减少，由此可见，负升力再入概念在提高有效载荷上明显优越于正升力再入概念。     

科技成果

我国首架双体复合式飞艇试飞成功6月25日上午，我国首架双体复合式飞艇在位于北京昌平的航空博物馆试飞成功。所谓复合式，是指飞艇升空需要的升力不只依赖于气囊的空气浮力，还有一部分来自螺旋桨向上的推力，这样就可以减小气囊的体积。螺旋桨在飞艇起飞时水平向下，提供升力，而在飞艇升空后再作90度倾转至垂直状态，提供向前的动力。这样的飞艇体积小，速度更快，机动性好。经过试验，今天达到了预期的效果。据了解，这架飞艇长17m，高6m，宽12m，自重只有450kg，最大时速能达到近70km/h。据专家介绍，复合式双体飞艇的气囊体积还可以做…     

揭开昆虫飞行奥秘

初步研究表明,昆虫之所以既能够长时间的悬停飞行,又能够灵活自如的机动飞行,主要是它们具有产生非定常流场高升力的能力,这种高升力可能来自翅翼划动运动生成的前缘涡和翅翼上表面的展向流,以及翅翼旋转运动产生的马格努斯效应力.     

双后掠乘波体的非线性升力增长

基于密切锥的双后掠乘波体是定平面形状乘波体的典型应用,除了具有良好的宽速域性能,其升力在高超声速大迎角下的非线性增长也是值得研究的现象。对比双后掠乘波体与单后掠乘波体的气动性能,发现双后掠外形比同等面积的单后掠外形具有更强的非线性增升效应,而且随着马赫数增加,其效应不断增强。分析乘波体不同部件的气动力,发现这种增升主要来自下表面,上表面贡献很小,指出相关学者提出的"涡升力"观点存在问题。本文研究表明,双后掠乘波体升力随迎角的非线性增加,与后掠角对激波附着的影响有关：后掠角越小,激波越难脱体,只要激波附着,参考斜激波关系式,波后的压力随迎角的增长就是非线性的,导致升力增长非线性;而激波脱体,升力增长则趋于线性。     

定常黏性外流气动力分量的同源性及流场断层扫描诊断原理

减阻是空气动力学的基本任务之一。传统流场诊断和减阻方案基于线性分解、各个击破和线性叠加的思路。最近的研究表明:对于给定构型与流动条件的定常绕流,型阻和诱导阻力不是纯数而是尾流截面位置的函数,而且目前广泛采用的诱导阻力公式仅适用于简单附着流。基于这些认识,证明了升力、型阻和诱导阻力在物理上是同源的,可分别定义为Lamb矢量的体积分或其矩的面积分;面对真实的复杂流场,提出了采用Lamb矢量场在一族流场截面上的性状来定义和诊断升力、阻力各分量的技术原理,作为对传统方法的扬弃。以大攻角三角翼流场为例,采用该原理判明了气动力分量对应的流动结构,指出三角翼尾部的二次涡产生负升力和型阻峰值。该结构可以根据边界涡量动力学溯源到局部壁面区域,从而提出了增加升阻比的概念性优化方案。     

运输类飞机高升力构型数值模拟研究

高升力装置对大多数运输机的大小、吨位、经济性及安全性都有重要的影响。由于复杂的流动机理、几何外形、支撑机构及驱动系统之间的矛盾关系,导致高升力系统的设计周期很长并且很大程度上依赖于试验[1]。然而,随着计算机软件和硬件的迅速发展,近几年的工程设计中N-S方程应用日趋广泛。在空气动力学设计领域,计算机辅助设计手段已经逐步替代了过去的经验设计手段,并且国内飞机设计单位的科研人员也开始花费越来越多的时间应用流体仿真软件来达到设计目标,而不是像过去那样完全依赖试验结果去设计和分析飞机气动力特性,高升力装置设计也是如此。本文着重对著名的MSES软件和CFX软件在高升力装置模拟中的工程应用进行探索,并和风洞试验结果进行比较,初步研究了高升力装置数值模拟在飞机设计工程应用中存在的一些问题。     

微型扑翼飞行器的气动建模分析与试验

用计算流体力学的数值模拟方法研究了微扑翼飞行器的扑翼飞行的非定常空气动力学问题。在对昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上 ,对实际可飞的微扑翼飞行器的扑翼运动建立了三维翼型的运动学与空气动力学模型。利用任意拉格朗日欧拉 ( ALE)有限元方法求解出 N-S方程的数值解 ,证明简单扑翼布局所提供的升力足以克服微扑翼飞行器本身的重力使其飞行。在此基础上 ,分别计算并分析了拍动幅值、俯仰幅度以及扑翼频率等各种扑翼参数对升力的影响。最后 ,探索性的扑翼风洞试验与飞行试验结果在一定程度上验证了文中计算方法的可行性      

基于某型发动机发展 STOVL 动力性能方案研究

短距起飞/垂直降落（STOVL）飞机由于其优越的作战性能,受到了世界航空大国的高度重视。通过借鉴目前最先进的 STOVL 动力 F135- PW -600发动机技术发展思路,研究了基于国内某型发动机改 STOVL 动力方案时,主发动机与升力风扇之间的匹配和约束关系。研究结果表明：随着升力风扇压比和流量的增加,主发动机升力减小,升力风扇升力增加;同一主发动机状态下,升力风扇流量越大,发动机前后升力平衡的升力风扇压比越小,总升力越大;主发动机性能越高,发动机前后升力平衡的升力风扇压比和流量越大,发动机总升力也越大。     

升力面方法在冲压空气涡轮性能计算中的应用

应用现代螺旋桨升力面元方法计算冲压空气涡轮的气动性能,叶片采用单层涡模型,尾涡采用与Goldstein假设一致的刚性尾涡,将螺旋马蹄尾涡视为开口涡环以便于编程。对一个模型冲压空气涡轮作数值计算,在小负荷和较大负荷工况下风能利用系数均与实验值符合的较好,涡元控制点的诱导速度和环量分布合理。