三维扑翼非定常运动气动分析的数值研究

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1、东华大学硕士学位论文2.能够承受阵风。3.高机动性的绕过障碍物飞行。4.经受轻微碰撞。5.能携带足够的有效载荷，例如微照相机，传感器等。6.积极有效，能够在一个特殊的任务中至少飞行30分钟。7.生产成本低。1.1.2微型飞行器的种类研究人员根据任务要求设计出了不同的飞行器。根据机翼的运动，这些微型飞行器可以被分为：固定翼、旋转翼和扑翼。无论是固定翼，还是旋转翼，都是全尺寸飞行器的小型化版本，因此，这些也被称作传统飞行器。固定翼飞行器通[2]过螺旋桨或单旋翼带尾桨向前推进，并且能够非常快速的向前飞行而不能悬停。这种飞行器可以在一个小范围内徘徊。此外由于缺乏悬停能力，固定翼飞行器无法

2、在室内飞行。旋翼飞行器主要被直升机采用，它们可以悬停，并且能以合适的速度向前飞。但它们的效率远低于固定翼飞行器，而且机动性有限，在突发环境中效率降低。图1.1显示出了一些传统飞行器的例子。图1.1不同种类飞行器。A、B固定翼、C、D旋转翼和E、F扑翼设计因此，重要的是研究一种替代解决方案，如扑翼，经过数千年的进化，它们已经在自然界广泛存在于鸟类和昆虫的飞行之中。扑翼飞行既有固定翼飞行的优点，又有旋翼飞行的优点，它们即能快速起飞和加速，又能悬停，具有高度的机动性和灵活性。对于利用扑翼概念的微型飞行器，最大的挑战在于，模仿扑翼运动学以及理解其相关的复杂空气动力学性能。首先是持续飞行的

3、能力，这要求扑翼要有足够的升力产生机制和阻力产生机制，分别用来克服重力和空气的阻力。其次是悬停的能力，这要求扑翼能在起飞、降落过程中做短暂悬停，也能在空中长时间的悬停。对于悬停过程，生物的身体和周围空气没有相对运动，主要运动是翅膀的不断拍打空气来产生升力，用来克服重力。2万方数据东华大学硕士学位论文同时为了开发高效、可操作性的飞行器，有必要完整的理解流动环境。扑翼飞行的实质是引入了一个额外的复杂度。自然飞行采用的非稳态翼运动导致大量的非传统和非定常流动现象，这非常有助于扑翼产生合力和力矩。而传统的准稳态运动以及定常空气动力学理论无法解释这种流动现象以及扑翼所受到的力。因此非稳态的

4、引入对这个已经复杂的问题又增加了一个难度。1.2研究概况1.2.1鸟类和昆虫的扑翼飞行在深入研究扑翼的空气动力学之前，先要区分自然界扑动飞行的两种主要方式：鸟类和昆虫。首先是结构上的差别，鸟类有很多特殊结构保证其正常飞行，比如气囊和羽毛等，气囊可以减轻鸟类的重量。羽毛可以随拍打的角度和运动的状态而张开和闭合，巧妙的改变翅膀的形状，适应载荷分布的变化。而昆虫与飞行相关的结构主要集中在翅胸节，翅胸节上分布有一对或两对翅，翅膀由集中在翼根并且分散到翼尖的网状中空管组成的半透明膜组成，使得昆虫的翅膀具备轻质量和高强度的特点，并且具有较高的拍打频率。昆虫的翅膀与身体不同，没有肌肉和骨骼系统

5、，只是在翼根处有肌肉和身体相连来控制翅膀的扑动。而鸟类翅[3]膀有丰富的骨骼和肌肉，并且这里的翼骨直接连接到身体的中央椎骨。鸟类扑动和昆虫扑动还有一个本质的差别。鸟类在垂直平面内扑打翅膀，而昆虫将其运动限制在水平面内，并且依据前进速度向前倾斜。对于昆虫翅膀的顶点，整体拍动行程轨迹呈八字形，对于鸟类却是椭圆形。另外拍打的频率也不同，昆虫高达200Hz，而鸟儿拍动更接近5赫兹。虽然鸟类能够积极改变肌肉的扭曲、弯度和纵横比，而昆虫只能控制根部的翅膀运动。但昆虫可以依靠大量气动弹性耦合来获得所需的扭转和弯曲度。然而，两者最显著和相关的区别是悬停的能力。虽然大多数昆虫都能够悬停，鸟类却是仅

6、限于少数物种如蜂鸟。有趣的是和鸟类运动相比，蜂鸟的翅膀运动和昆虫的运动具有更大的相似性。鸟类扑动大多是在一个垂直平面上，具有在很小的倾斜变化，这种类型的扑动不能产生足够的升力，来支持没有任何前进速度时的重量。因此从发展一种高效和可操作性微型飞行器的角度来看，微型飞行器研究期望的物理尺度相当于小型飞鸟或尺寸较大的飞行昆虫，它们悬停能力对于应付复杂的飞行环境极为有利，构成了本研究的主要原则之一。同时它们物理尺寸远小于普通飞行器，导致它们的飞行雷诺数远低于常规飞行器。因此可以不考虑例如大型鸟类所采用的滑翔方式，而是采用扑翼的非定常运动来克服低雷诺数下气动性能恶化的问题。3万方数据东华大

7、学硕士学位论文1.2.2昆虫翼运动学昆虫翼运动学由不同运动过程组成。在一个完整的行程中，翼从腹部向胸部平移运动，被称为下拍。即使在平移运动阶段，由于不断变化的俯仰角，翼的攻角也连续变化。在其到达下拍行程结束的时刻，翼旋转，以便在返回到腹部的行程中获得正的俯仰角，这个转动阶段，被称为仰旋(supination)。接下来的平移阶段被称为上拍。最后，在到达上拍行程的结束时刻，翼通过俯旋(pronation)，旋[4]转返回到下拍冲程。昆虫也能使拍动的参考平面倾斜，从而改变空气动力的方向