低雷诺数下柔性膜扑翼气动特性的流固耦合分析

《低雷诺数下柔性膜扑翼气动特性的流固耦合分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、低雷诺数下柔性膜扑翼气动特性的流固耦合分析郝淑文2015年1月中图分类号：TJ430.1UDC分类号：623.4低雷诺数下柔性膜扑翼气动特性的流固耦合分析作者姓名郝淑文学院名称机电学院指导教师纪秀玲副教授答辩委员会主席王建中教授申请学位工学硕士学科专业兵器科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月FluidStructureInteractionofUnsteadyAerodynamicsofMembraneFlappingWingatLowReynoldsNumberCandidateName：ShuwenHaoSchoolorDepartment:SchoolofM

2、echatronicalEngineeringFacultyMentor:AssociateProf.XiulingJiChair,ThesisCommittee：Prof.JianzhongWangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ArmamentScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢

3、的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要昆虫翼的柔性具有控制其气动力的作用，翅膀在空气中拍动时，受到翅膀表面的空气动力和翼的质量引起的惯性力的联合作用而发生柔性变形。昆虫翼柔性变形自然会引起周围流场结构变化，从而影响到翼表面的空气压力的大小和分布，即改变了作用在翼上的气动力或力矩，由此昆虫能够简单方便地实现机动和姿态调整。为研究柔性翼的气动弹性变形对扑翼气动性能的

4、影响，本文从Peter等人的非定常流的气动载荷理论和有限元固体分析角度出发，利用Matlab编程建立了适合于求解柔性膜扑翼气动性能的流固耦合整体法求解程序，并进行了算例验证。在此基础上，分析了刚性和柔性蜻蜓模型翼前飞时动态变形的瞬时、时均气动响应；分析了不同材料属性、运动模型（扑动平面角、扑动频率和前飞速度）对模型翼气动性能的影响，并比较了两种不同模型翼的性能。主要研究结果如下：1）柔性翼的动态变形能产生显著地非定常气动效应，尤其是对下扑过程中对升力系数和推力系数的峰值影响较大。柔性翼的翼稍部位后缘变形较大，主要产生推力，翼根变形较小，主要产生升力。相比与刚性翼，柔性提高了扑翼的升力、推

5、力系数，有利于改善扑翼的气动性能。2）前缘梁及框架对气动性能的影响作用较薄膜大，说明模型翼的动态变形主要由刚度较大的前缘梁和翅脉起决定性作用，且气动性能对前缘梁和翅脉的厚度变化较宽度的变化敏感，三种不同材料（铝合金、钛合金、碳纤维）的前缘梁和框架对气动性能的影响作用主要表现在推力上，铝合金材料的模型翼较碳纤维材料的模型翼的推力系数略大，而柔性处于第二的钛合金具有最大的推力系数。3）扑动平面角在一定范围内增大可以提升推力、升力系数以及升阻比；扑动频率有助于推力系数的提高但对升力贡献不大；时均升力系数和推力系数随前飞速度增大而减小；两种不同的模型翼表现出了显著的气动性能差异，证实了柔性产生的

6、粘弹性变形对扑翼非定常气动特性的重要性，同时也为合理的设计扑翼结构模型和模型材料选择提供参考和依据。关键词：膜扑翼；气动弹性；流固耦合；非定常气动；变形；整体法I北京理工大学硕士学位论文AbstractWingflexibilitycontrolstheaerodynamic-forcegenerationofflapping-wingflyers.Asthewingflapsthroughtheair,itissubjectedtobothaerodynamicforceactingonthesurfaceofthewingandinertialforceduetotheacceler

7、ationordecelerationofthewing’smass.Theinteractionbetweentheseinertial–elasticandaerodynamicforcesresultedinwingdeformation,whichcaninfluencethestructureofflowfieldaroundthewing.Therefore,bothvaluesanddistributionofpres