适合于柔性结构扑翼飞行器的空间非定常涡格法

推导了新的基于空间非定常涡格法的扑翼飞行器升力和推力的计算公式,然后分析了瞬时形状速度对它们的影响.与实验结果的对照表明,基于向量分析、考虑了飞行中的诱导阻力因素的新公式可以有效地估算升力和推力.由于结构的柔性使扑翼在扑动过程中存在变形,本文考虑了空间涡格法中扑翼的η/t对气动力的影响,提出了η/t的表达式,使之更接近真实扑动情况,并计算了其对扑翼飞行器升力和推力的影响.通过计算发现,升力系数和推力系数的正峰值和负峰值随η/t增大而增大,平均升力和平均推力也随η/t增大而增大,表明可以通过改变结构参数达到改善气动性能的目的,对扑翼飞行器的研制有一定的指导作用.     

仿鸽扑翼的气动性能分析

以鸽子的特征尺寸以及飞行方式作为研究的主要对象和研制微型扑翼飞行器的模拟目标,使用空间非定常涡格法对仿鸽扑翼飞行器进行了气动性能的计算,分析了迎角、扑动角、飞行速度、扑动频率和推进比等参数对微型扑翼飞行器的气动性能的影响,对扑翼飞行器的设计有一定的参考作用.     

微型扑翼飞行器的改进非定常涡格法

为在保证较高计算精度的前提下高效地进行扑翼飞行器(MAV)气动特性计算,提出了一种MAV非定常涡格法(UVLM)的改进算法.在算法中充分考虑翼面瞬时形变及诱导阻力等对MAV流场及气动力的影响,并在其尾涡模型中增加对尾迹涡环畸变及粘性耗散等的建模,使算法模型能更好地反映MAV的翼面气动状态.编程实现并通过实例验证了算法的有效性和快速性;为将UVLM引入MAV优化迭代,还研究了尾涡剔除对算法效率及精度的影响,结果表明在算法模型中剔除MAV尾部一定距离处的尾涡后,可在保证算法精度的前提下大幅减少运行时间,表明该算法在MAV结构优化中存在一定的潜力.     

微型扑翼的推进特性实验研究

为了研究微型扑翼的推力和推进效率特性,研制了基于虚拟仪器( Ⅵ)的微型扑翼风洞实验系统.该系统以西北工业大学现有微型风洞为基础,采用了高精度六分量天平、角度传感器.新型机翼扑动机构、可编程电源、工控机等设备,利用基于虚拟仪器(Ⅵ)的LabView软件对上述设备进行集中控制与数据处理.利用上述实验系统研究了风速、扑动频率、展弦比、根稍比及机翼扑动幅度对微型扑翼推力和推进效率的影响,总结出了微型扑翼推力及推进效率的基本规律,为微型扑翼飞行器机翼设计及飞行控制方式提供了参考.     

仿鸟复合振动的扑翼气动分析

根据绿头鸭飞行的录像片断，对其平飞时翅膀的扑动模型进行简化，提出了一种新的变速－折叠扑翼扑动模型，使之更符合鸟类翅膀的实际扑动规律。通过非定常涡格法的比较计算发现，以该新模型规律运动的扑动翼，在一个周期内的平均升力系数较原有的钭角速度刚性模型有了显著增加，更适用于设计微型扑翼机。本文较详细地计算分析了扑翼平均升力系数随着扑动幅度、俯爷幅度以及扑动频率等各种扑动参数的变化曲线，为微型扑翼机的设计提供了一定的参考依据。     

可差动扭转扑翼飞行器的设计和风洞试验研究

常规的仿鸟扑翼飞行器在飞行时机翼只是单纯地上下扑动.为提高扑翼飞行器横航向和航迹控制的品质,设计了一种机翼在扑动的同时可差动扭转的仿鸟扑翼飞行器;在低速风洞中对其进行了一系列测力试验,研究了可差动扭转扑翼飞行器的升力、推力特性,以及机翼差动扭转角、扑动频率、风速、机翼柔性对滚转力矩系数的影响;对设计的扑翼飞行器做了飞行试验,验证了设计的可行性,并与常规扑翼飞行器作了对比,试验结果表明:可差动扭转扑翼可以用于扑翼飞行器的横向控制,并且可以提高其抗风能力和航迹控制精度.     

微型飞行器低雷诺数流场显示试验研究

在南航非定常风洞内,对一盘状微型飞行器的气动特性进行了测力和流场显示实验,给出了不同迎角下微型飞行器的空间流场显示结果.研究表明:随着迎角的增加,在机翼上表面开始形成前缘分离涡,并且前缘涡的尺度和强度不断增加.迎角继续增大,前缘涡首先在后缘开始破裂,并不断前移,最终导致微型飞行器的失速.模型上前缘分离涡的形成、发展和破裂是导致盘状微型飞行器气动力特性产生变化的根本原因.     

前后双扑翼微型飞行器推力研究

为探讨前后双扑翼微型飞行器产生推力的机理和变化规律,通过在动态网格上求解Navier-Stokes方程,对前后双扑翼在不同水平距离、相位角、扑动频率和来流攻角下推力的变化进行了数值模拟和分析.总结出推力随各参数变化的规律,为前后双扑翼微型飞行器的设计提供了参考依据.     

扑翼飞行器机翼开孔对气动特性的影响研究

论述了扑翼飞行器扑动升力产生的基本原理,提出采用机翼开孔的方式获得扑动升力的方法.通过风洞试验研究了翼面开孔对机翼气动特性的影响,结果表明机翼开孔可以有效获得扑动升力,降低扑动功耗,但会损失一定的推力.采用正交实验方法对风洞实验进行设计,构建机翼气动力关于实验参量的二次响应面方程,并通过响应面方程对开孔机翼的气动特性进行评价.结果表明所设计的开孔机翼最大起飞重量与无孔机翼相当,但其低速飞行能力较好,功率消耗较少,有望实现悬停飞行.     

扑旋翼飞行器气动特性分析及机翼拓扑优化设计

建立微型扑旋翼飞行器运动学模型,基于面元法研究低雷诺数下非定常场中扑旋翼飞行器的气动特性,得到机翼气动特性和一个工作周期内的最大气动载荷。建立扑旋翼飞行器机翼有限元模型,基于变密度法和独立连续映射法(Independent continuous mapping,ICM)对机翼进行静力学和动力学拓扑优化设计,通过改变机翼拓扑结构优化机翼模态频率,得到同时满足结构静力学和动力学要求的扑旋翼飞行器机翼拓扑结构。本文为扑旋翼飞行器机翼结构优化设计提供了基本思路和研究基础。     

基于涡格法的近程无人机气动优化与风洞实验验证

针对低雷诺数的近程无人机,利用涡格法(VLM)对无人机气动特性进行了加装翼尖小翼优化设计,并通过风洞实验进行了验证.首先给出了翼尖小翼的几何参数并分析其对全机气动特性的影响,其次利用涡格法对小翼进行气动建模和优选,针对无人机巡航状态给出了小翼优化结果,最后利用风洞实验对优化前后的无人机进行了吹风实验对比验证,实验结果表明,涡格法和风洞实验结果在线性段相符,涡格法能够较准确地描述和预测翼尖小翼特性,加装翼尖小翼后的无人机巡航状态升阻比提高12%,全机滚转阻尼加大,偏航阻尼变化很小.     

翼面吹气对过失速非定常翼面涡的影响

在１ｍ低速风洞中，研究了边条翼在近人速非定常流动控制后的空间流态。实验采用翼面吹气控制翼面非定常流动，通过烟流显示涡轨迹和涡破碎位置，用相锁照相技术记录空间流态，结论表明，在机翼上仰过程中，翼面吹气能延迟前缘涡的破碎，在机翼下俯过程中，吹气有利于前缘涡的生成和发展。     

边条翼前缘涡非定常涡场特性研究中PIV技术的应用

描述了应用PIV技术在水槽中对边条机翼上旋涡及破裂旋涡流场进行的测量和分析。实验是在北航水槽中进行的。通过PIV技术的测量,揭示了旋涡及破裂旋涡中的非定常特性,这种非定常特性同飞机上机翼、尾翼的抖振密切相关。实验结果表明,对于未破裂的边条涡,存在着两种非定常特性,其一是剪切层中不断地有小涡沿剪切层输运和合并。其二是由一次涡诱导的二次涡与剪切层中的小涡互相诱导引起的非定常现象。对于破裂涡,则发现与未破裂的涡相比,截面上涡量分布的区域突然扩大很多,最大涡量的绝对值也比上游未破裂区截面上的涡量最大值小。此外还发现在涡量分布区域出现反涡量,这同涡破裂后出现涡核螺旋变形有关。对于同一截面处涡量分布是非定常的。     

弹性与后掠角对三角翼绕流结构的影响

为了研究低雷诺数下微小型飞行器布局的流动机理,在水槽中对展长/根弦长之比为0.5的一系列变弹性和后掠角机翼的绕流结构进行了氢气泡流动显示实验.结果表明,在低雷诺数条件下,流动结构变化规律如下:随着后掠角增大,弹性翼绕流遵循"Ω涡一对前缘涡一对前缘涡与双涡一对前缘涡、双涡与三涡一对前缘涡与双涡一对前缘涡"的变化规律,刚性翼绕流的涡结构变化规律与弹性翼相似,但不存在三涡结构.     

基于翼尖涡物理特征的诱导阻力减阻机制实验研究

本文通过风洞实验研究了翼尖涡的物理特征以及诱导阻力的减阻机制。实验中利用3DPIV（三维粒子图像测速技术）技术得到了翼尖涡的物理特征,并基于本文提出并设计的翼尖气动力测量装置,得到了机翼翼尖处的诱导阻力。实验结果表明,机翼翼尖涡的无量纲环量会随机翼迎角及风速的增大而增大。翼尖涡无量纲环量的减小以及翼尖涡与机翼之间距离的增大都会引起诱导阻力的减小。具体而言,通过抑制翼尖涡的无量纲环量,增加翼尖涡与主机翼之间的距离,减小翼尖涡与机翼之间的相互作用,实现机翼翼尖诱导阻力的减阻。     

圆柱尾涡/边界层相互作用中二次涡特性研究

应用流动显示的方法研究水槽中上游圆柱绕流尾涡与平板边界层的相互作用,发现边界层外的尾涡可以诱导边界层内流体产生新的二次涡结构,对二次涡的产生条件、形成机理和演化规律进行了探讨.结果表明:尾涡/二次涡的相互作用是尾涡与边界层相互作用的核心,尾涡涡脱落St数的变化、尾涡反弹现象、边界层内二次涡的产生和尾涡/二次涡相互作用的不同形态等均与无量纲参数yc/D有关(yc为圆柱距离平板的法向位置,D为圆柱直径),并可以此参数对尾涡/边界层相互作用的特性进行分区.     

双翼对称振动的推进特性及流场结构分析

双翼对称振动具有优越的推进特性。论文利用浸入边界法求解二维粘性不可压N-S方程,数值模拟了扑翼周围的非定常流场。以NACA0012翼型为例,研究了双翼对称振动的振幅、频率、间距和攻角等参数对推进特性和流场结构的影响。研究发现:在相同的参数空间下,相对于单翼振动,双翼对称振动中单个机翼会产生更大的推力、更强的涡和射流。     

倾转旋翼机小速度前飞的尾迹涡演化及其对平尾的影响

采用基于运动嵌套网格的CFD方法计算了倾转旋翼机直升机状态和过渡状态下的流场,研究了在小速度前飞下的尾迹涡演化和其对平尾气动力的影响。直升机状态下,前飞速度≤4 m/s时,旋翼尾迹主要在机翼附近,与机翼干扰形成喷泉效应,但对平尾无影响。随着前飞速度增大,喷泉效应与自由来流的综合作用形成喷泉涡,喷泉涡产生于机翼上表面,呈流向涡形式向下游输运,从平尾上方通过。前飞速度进一步增大（≥16 m/s）,产生于桨盘边缘的旋翼尾迹侧缘涡开始增强,从平尾侧边通过,并在平尾附近的流动中占据主导地位。喷泉涡和侧缘涡均在平尾处产生上洗流动,使平尾产生低头力矩。从直升机状态到固定翼状态,旋翼尾迹侧缘涡逐渐减弱,对平尾的影响也减弱。     

低雷诺数下翼尖涡统计特性实验研究

翼尖涡的统计特性主要包括涡核半径、平均涡量、旋涡切向速度等,其准确测量是翼尖涡控制技术得以有效实施的重要前提。采用二维粒子图像测速技术在水洞中对椭圆机翼生成的翼尖涡尾流场进行了实验观测,测量区域覆盖翼尖涡发展的近场、中远场。针对涡对不稳定运动导致旋涡统计参数失真的情况,采用涡核中心对齐平均（re-centered average）的方法,屏蔽掉涡对不稳定运动对旋涡统计参数的影响,提高了统计结果的准确度。Re-centered average统计结果表明:涡核半径和涡量峰值随流向站位分别呈现出近似符合幂函数的增长和衰减规律;旋涡不稳定运动的振幅随机翼迎角增大而减小,表明涡对抵抗扰动的能力随涡强度的增大而增强。     

一种新型三维仿生扑翼机构设计与分析

以昆虫翅膀运动机理为基础,提出了一种复合3种运动的仿生扑翼新机构。由于能使翼尖按8字形或香蕉形运动及机翼扭转,同时可保证两翼的运动对称,使扑翼运动更符合昆虫运动形态。为了实现生物运动轨迹,建立了机构参数的优化模型,并据此设计了扑翼微型飞行器样机,其扑动规律能更逼真地模拟昆虫翼的扑动形态,为新型微型飞行器的设计提供样机。