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。     

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。     

扑翼机翼气动力和惯性力对翼杆结构变形研究

通过有限元方法探究了机翼上气动力和惯性力对结构变形的影响.研究表明扑翼机翼产生的气动力和惯性力大小在同一量级.机翼惯性力对机翼结构变形具有不可忽视的影响.当机翼处于水平位置时机翼气动力对结构变形贡献最大,同时合力产生的最大变形也出现在机翼水平位置.仿生扑翼机翼结构变形研究为高升力、低能耗扑翼机翼的设计提供了理论指导.      

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.      

仿鸟柔性扑翼气动特性与能耗的数值研究

建立了适当的三维仿鸟柔性扑翼模型,并以配平重力和平衡阻力为条件,数值计算了它的低雷诺数非定常流场.研究揭示了翼面初始扭转角度、动态俯仰幅度等重要设计参数与飞行性能的关系,表明扑翼平面的初始扭转程度、扑翼柔性材料的选择以及两者之间的合理搭配对扑翼机的成功飞行至关重要.研究分析了仿鸟扑翼的流场涡结构、升力推力产生原理,下扑过程附着上翼面的前缘涡是升力产生的重要机制.对扑翼气动功率的比较分析也发现,人造扑翼机需要的气动功率明显高出同等大小的鸟类,在效率方面尚不及扑翼飞行生物.     

扑翼飞行器柔性翼的动力分析与实验

针对小型扑翼飞行器柔性翼的特点,提出了一种利用欧拉方程结合有限元分析计算柔性扑翼上气动力的分析方法,并进行了样机推力测量实验.实验证明计算结果能很好地反映出扑动周期中不同时刻的推力特征.该方法既可以得到宏观上的推力、扑动阻力,又可以得到不同扑动参数下翼上各处的气动力分布,为柔性扑翼的设计优化提供帮助.      

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      

微型扑旋翼的运动测量与气动特性分析

采用实验测量和数值仿真相结合的方法研究了微型扑旋翼多自由度复杂运动及运动与气动特性之间的相互作用。基于机械式扑旋翼运动模型,使用高速摄影测量和数字图像处理的方法,测量了扑旋翼的运动与变形,并将此结果作为数值仿真的输入,进一步研究了翼的气动特性。结果表明:1)扑旋翼的拍动角近似三角波变化,旋转角随时间线性增加,俯仰角在初始迎角附近波动,并有三个波峰;2)弦向弯曲度的变化规律近似为三角波,沿展向不同位置有相位差异,展向扭转角的变化规律接近于梯形波;3)扑旋翼运动产生的翼尖涡、前缘涡与后缘涡形成了复杂的涡环,涡结构的变化决定了翼的瞬态气动力的产生;4)扑旋翼的柔性变形能够带来平均和峰值升力的提高。     

一种非对称折叠扑翼的风洞试验与数值模拟

为了解鸟类翅膀折叠运动的作用,对一个专利中的折叠扑翼机构进行了数学建模,外翼的折叠运动由非定常过程中的气动力、弹性恢复力矩和惯性力决定.利用风洞试验和数值模拟两种方式对该折叠扑翼模型进行了研究.数值模拟和风洞试验结果表明:相对于非折叠扑翼,折叠翼能够有效提高平均升力;在一定范围内增加内翼扑动频率可以提高折叠翼平均升力系...     

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。     

柔性扑翼微型飞行器升力和推力机理的风洞试验和飞行试验

为探讨柔性扑翼微型飞行器产生升力和推力的机理,在研究考虑柔性大变形扑翼气动力计算方法基础上,利用南京航空航天大学低速风洞进行了不同扑动频率、迎角、速度下微型扑翼升力、推力的变化和动态流场显示等风洞实验,并与计算结果进行了比较分析,为微型扑翼机的设计提供了的参考依据.自行研制的微型柔性结构扑翼机成功地进行了飞行试验.      

高速列车串列升力翼翼型优化设计

气动升力协同高速列车是一种通过添加串列升力翼提高列车气动升力,实现高速列车整体能耗和全寿命周期成本下降的创新型高速列车概念.由于升力翼使得列车的净重量下降,车轮与轨道之间的作用程度减弱进而降低了摩擦阻力和车轮的磨损.为减少串列翼之间的气动干扰,在铁路限界约束条件下,基于数值模拟方法,研究了不同壁面距离和攻角下的升力翼气...     

仿鸟型扑翼飞行器气动/结构/飞行力学耦合研究进展

仿鸟型扑翼飞行器在飞行机动性和飞行效率上有巨大发展潜力,是一种具有较高研究价值和应用前景的微型飞行器。由于仿鸟型扑翼飞行器的柔性扑动翼在扑动过程中会产生较大结构变形,同时扑动翼的扑动运动与机体的刚体运动会产生高度耦合,因此需要从气动、结构与飞行力学多学科耦合的角度对该类飞行器的气动特性和飞行稳定性进行分析。针对该类飞行器的气动机理、气动/结构耦合研究、飞行稳定性分析方法以及扑动翼的柔性对飞行稳定性的影响等方面进行了国内外现状的分析和总结。目前仿鸟型扑翼飞行器的发展还面临着诸多难题,尤其在非定常气动机理、气动/结构耦合的尺度律以及气动/结构/飞行力学的耦合方法等方面亟需进一步的突破和发展。     

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.      

复杂几何细节对增升装置气动性能影响研究

 采用数值模拟的方法研究了主翼翼根几何形状、翼吊发动机短舱、缝翼滑轨及襟翼滑轨舱等几何细节对增升装置气动性能的影响。研究结果表明:切割前缘缝翼时,将大部分翼根整流包留在主翼上会在大迎角下产生低能量的分离涡,造成增升装置气动性能显著恶化,而将大部分翼根整流包切割到前缘缝翼上,能破坏低能量分离涡的产生;大迎角下,短舱上表面、挂架表面及缝翼与挂架之间的间隙产生的分离气流会直接流到主翼上表面,形成大范围的死水区,因此,大尺寸的翼吊发动机短舱会造成增升装置失速迎角及最大升力系数的大幅减小,但安装在短舱适当位置、适当形状的涡流片产生的强漩涡能消除大部分的死水区,挽回部分气动性能损失;缝翼滑轨产生的低能量尾迹会混入主翼附面层,使其能量降低造成升力系数减小,极端情况下缝翼滑轨会直接诱发大范围的流动分离,造成增升装置气动性能的显著恶化;襟翼滑轨舱因其较大的几何尺寸会减小襟翼缝道的面积使得襟翼缝道射流加速,有利于吹走襟翼表面的物面分离。     

翼身融合布局与传统布局飞机结冰特性对比分析

翼身融合（BWB）布局是提升未来民机综合性能的重要布局方式，其结冰飞行安全问题逐渐受到人们重视。针对翼身融合布局飞机与常规布局飞机的结冰问题，本文通过数值模拟的方法来开展结冰特性研究。本文提出基于Navier-Stokes方程对空气流场进行求解，并应用欧拉法计算水滴撞击特性，之后采用Shallow-Water结冰热力学模型的结冰计算方法。首先，通过将翼身融合布局飞机和传统布局飞机的计算结果与风洞试验数据进行对比，验证空气流场计算的正确性，并将两者进行对比分析；其次，数值预测飞机表面冰形的特征，将两种布局飞机结冰特性进行对比，结果表明，结冰对两种布局飞机气动外形的破坏程度从后掠翼翼根至翼尖逐渐变大，但传统布局飞机结冰只发生在机翼前缘和机头处，而翼身融合布局飞机前部几乎都发生了结冰，可为相关的结冰特性研究及防除冰设计提供技术参考。     

基于甲虫后翅的仿生扑翼振动模态特性分析

扑翼微型飞行器(FWMAV)的动力主要来源于机翼在低雷诺数下的高频扑动,在空气动力、惯性力以及机翼弹性力的综合作用下,机翼结构在发生形变的同时也会发生振动并影响微飞行器的动稳定性。针对扑翼振动特性的问题,本文获取了甲虫后翅的几何形貌参数和翅脉结构,发现后翅的前缘脉(C)和次前缘脉(Sc)中分布有体液微流;并在获取后翅材料力学数据的基础上,建立了三种不同翅脉结构(实心、空心、“空心+体液”)的后翅力学耦合模型;利用ANSYS对该力学耦合模型进行了振动模态特性分析,结果表明,在后翅扑动频率范围内,“空心+体液”的模型既能获得轴向和展向的变形能力,又能保持后翅基本形态,具有更优的动稳定性。     

微扑翼飞行器驱动装置设计与动力学性能研究

将压电陶瓷驱动器和柔性铰链四杆放大机构融为一体,设计了结构紧凑的微扑翼驱动装置,并采用粒子群算法完成了微扑翼驱动装置结构参数优化设计;采用拉格朗日方程来建立微扑翼驱动系统动力学模型,对动力学性能进行了仿真研究.研究结果表明:采用正弦驱动电压,微扑翼驱动装置可以实现稳定扑打运动,另外,采用标准正弦驱动电压,在某一频段微扑翼驱动装置能实现高效扑动,而且通过调整驱动电压幅度能够控制扑动幅度.该研究为微扑翼飞行器运动控制奠定了基础.      

展弦比为8的跨音速翼-身组合体内翼的设计研究

提出了亚音速设计程序对翼-身组合体的应用。由正、反面元法计算相结合的程序是基于精确的跨音速求解和当量亚音速压力分布之间的关系，后者是由速矢端线理论设计的一个在无激波翼型设计条件下通过应用亚音速面元法获得的。 文章主要研究内翼设计过程中由于气流的三维特性引起的几个问题，这种气流的三维特性影响了当量亚音速压力分布的确定。两种本质不同的研究方法后面有论述，在翼根处或是亚临界气流条件、或是超临界气流条件。研究表明对于在内翼上带有前缘延伸的机翼形状可以在翼根获得亚临界气流条件，换一种办法通过运用机身外形延伸到最初设计的一种机翼，在翼根处具有超临界气流条件。 对于名义上的无激波气流条件，目前提供的关于翼-身组合体的风洞试验结果证实了该设计方法在规定的气动特性下足以产生约束的内翼几何外形。     

尾缘襟翼对扑翼的获能特性影响

扑翼获能器是一种模仿飞鸟振翅扑动的新型获能装置。为提高扑翼的获能效率,建立了一种带有尾缘襟翼的扑翼模型,且该种襟翼在扑翼运行过程中始终向翼型压力面偏转,利用计算流体力学方法求解了二维不可压缩非稳态Navier-Stokes方程。在雷诺数Re=4.7×10⁵的工况下,分析了尾缘襟翼对扑翼流场的作用机理,并与原始翼型扑翼进行了对比。同时,还研究了翼型厚度对具有尾缘襟翼扑翼获能的影响。结果表明:扑翼升沉力做功占其获能的主要部分,应用尾缘襟翼后,扑翼的升沉力在整个扑动周期内都得到了提高,并且升沉力与升沉速度的协同性获得改善;尾缘襟翼对扑翼获能效率的提高作用在高频率下效果最为明显,最多可以得到23.5%的相对提升;此外,翼型厚度影响着扑翼前缘涡的演化,翼型厚度增加,前缘涡的生成受到抑制,扑翼获能效率则随翼型厚度增大呈先增加后降低的规律,因此存在最佳翼型。