昆虫翅平面形状和展弦比对其气动性能的影响

应用计算流体力学的方法研究昆虫翅膀平面形状和展弦比对其拍动运动时气动力的影响.选取了10种具有代表性的平面形状和展弦比差别较大的昆虫翅膀作为研究对象.这10种昆虫分别是果蝇、大蚊、蜂蝇、食蚜蝇、瓢虫、熊蜂、蜜蜂、草蜻蛉(前翅)、鹰蛾 和蜻蜓 (前翅).研究结果表明:翅膀面积的二阶矩折合半径越大其气动力越大,当使用翅膀面积的二阶矩折合半径处的速度作为参考速度时,翅膀平面形状对无量纲气动力的影响很小.当翅膀展弦比有较大变化(从2.8增大到5.5)时,气动力系数只有很小的变化.流动的三维效应减弱和部分前缘涡(LEV,Leading-Edge Vortices)的脱落,这两种效果相互抵消,导致气动力系数变化不大.      

褶皱位置对蜻蜓滑翔翼气动性能的影响

改变昆虫翅膀的褶皱结构可以优化翼型的气动性能,有利于微型飞行器的气动设计。以蜻蜓翼作为参考,采用计算流体力学（CFD）的方法计算了攻角范围为0°~20°,雷诺数范围为700~2300时褶皱位于前缘、尾缘和中部位置时三种翼型的滑翔气动性能。结果表明:在不同攻角和雷诺数下,褶皱位于尾缘的翼型具有最大的升力系数和升阻比,滑翔气动性能最优;当雷诺数为1500,攻角为10°时,褶皱位于尾缘的翼型时均升力系数分别比位于前缘和中部的翼型提高了58%和82%,升阻比分别提高了49%和33%;这是由于尾缘褶皱中的涡起到了延缓前缘涡脱落的作用,使前缘涡更为集中,更贴近壁面。      

侧风对拍动翅气动力的影响

昆虫在自然界中飞行时多会受到侧风的干扰,因此了解侧风作用下昆虫拍动翅上气动力的变化对昆虫飞行机理的研究工作具有重要意义。应用计算流体力学(CFD)方法模拟了存在侧风时拍动翅上绕流,并与正常悬停情况进行对比,从侧风的方向和强度2个方面考察了其对拍动翅气动特性的影响。结果表明:侧风对拍动翅气动特性的改变包含2个流动机制的贡献,即相对速度效应和前缘涡轴向速度效应,且从翅尖吹向翅根的侧风与从翅根吹向翅尖的侧风对气动力的影响有着显著的不同;而不同强度的同向侧风下,气动力的改变类似,仅存在数值上的差异。     

抬升角对食蚜蝇飞行动稳定性的影响

抬升角的存在对昆虫飞行时的气动力会产生不同程度的影响,其对昆虫飞行动稳定性的影响也非常值得探索。首先,求解Navier-Stokes方程得到了有抬升角时食蚜蝇的纵向与横向稳定性导数;然后,用特征模态分析法研究其动稳定性。结果表明:有抬升角时,在侧向来流作用下食蚜蝇的滚转力矩对应的导数比无抬升角时明显减小,而其余导数无明显变化,导数减小是由于抬升角的存在使得有侧向来流时因左右翅举力不同产生的正向滚转力矩数值明显减小,而由侧向力产生的负向滚转力矩数值略有增大,从而使得其总的负向滚转力矩数值增大;但有侧向来流时滚转力矩所对应导数的减小并未引起食蚜蝇飞行动稳定性的改变,其纵向和横向的特征模态仍与无抬升角时相同。      

食蚜蝇悬停飞行时的气动特性

用数值求解N-S(Navier-Stokes)方程的方法得到了食蚜蝇在拍动平面倾斜悬停飞行时的气动力和气动力矩,利用得到的气动力矩和已知的翅膀的惯性矩求得食蚜蝇悬停时的能耗,并将得到的气动力和能耗与正常悬停时的进行比较.主要结果为:维持食蚜蝇体重所需的举力主要由下拍产生,该举力是由翅膀的升力和阻力共同贡献的,这两点均与水平拍动的情形不同;飞行的比功率为31.71 W·kg^-1,与正常悬停时接近,这表明此种悬停方式有便于进行机动飞行的优点,但不带来额外的能耗.     

翅尖轨迹对食蚜蝇悬停时气动特性的影响

食蚜蝇悬停飞行时的抬升角相对较小,在上下拍起始和结束时刻要比拍动中部的大,这样就使得翅尖的拍动轨迹呈现出浅“U”形。为了分析该翅尖轨迹是否会对其气动特性产生影响,利用计算流体力学的方法分别计算了4只食蚜蝇在考虑抬升角和忽略抬升角2种情形下的气动力,分析对比了2种情形下的不同时刻绕翅膀的瞬时流线,并计算比较了2种情形下气动功率系数与平均举力系数的比值。研究结果表明:抬升角的存在会使其维持体重所需的举力增加10%左右;举力增大的同时能耗却比忽略抬升角情形下要低3%左右。