昆虫飞行的空气动力学-孙茂

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1、力学进展,2015年,第45卷:201501昆虫飞行的空气动力学孙茂†北京航空航天大学流体力学研究所,北京100191摘要昆虫是最早出现、数量最多和体积最小的飞行者.它们能悬停、跃升、急停、快速加速和转弯,飞行技巧十分高超.由于尺寸小,因而翅膀的相对速度很小,从而进行上述飞行所需的升力系数很大.但昆虫翅膀的雷诺数又很低.它们是如何在低雷诺数下产生高升力的,是流体力学和生物学工作者都十分关心的问题.近年来这一领域有了许多研究进展.该文对这些进展进行综述,并对今后工作提一些建议.因2005年前的工作已

2、在几篇综述文章有了详细介绍,该文主要介绍2005年以来的工作.首先简述昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的基本方程和相似参数;然后对2005年之前的工作做一简要回顾.之后介绍2005年后的进展,依次为:运动学观测;前缘涡;翅膀柔性变形及皱褶的影响;拍动翅的尾涡结构;翼/身、左右翅气动干扰及地面效应;微小昆虫;蝴蝶与蜻蜓;机动飞行.最后为对今后工作的建议.关键词昆虫,飞行,空气动力学中图分类号:V211文献标识码:ADOI:10.6052/1000-0992-14-065收稿日期:2014-11-05;录用

3、日期:2014-11-24;在线出版日期:2014-12-15yE-mail:m.sun@buaa.edu.cn引用方式:孙茂.昆虫飞行的空气动力学.力学进展,2015,45:201501SunM.Aerodynamicsofinsect ight.AdvancesinMechanics,2015,45:201501⃝c2015《力学进展》版权所有2力学进展第45卷:2015011引言有翼昆虫在约3.5亿年前就开始飞行了(Wootton1981,Ellington1991).在漫长的进化过程中,它

4、们已成为飞行的佼佼者,能悬停、跃升、急停、快速加速和转弯(Dudley2000).人们对其中的空气动力学原理十分感兴趣.这里除了好奇心之外,还有两个原因.其中一个是:昆虫飞行中气动力的产生及产生这些力所需的能耗对昆虫的生理学、行为学、进化等方面都有很大的影响,生物学家在研究这些问题时需要了解气动力的特性(Weis-Fogh1972,Ellingtonetal.1990).另一个是:工程师希望制造尺寸为厘米量级的微型飞行器(Davis1996,Wilson2001),他们想学习和模仿昆虫产生气动力的

5、方法(Ellington1999,Maetal.2003).昆虫飞行时翅膀快速拍动和翻转.拍动有如直升机旋翼桨叶或螺旋桨桨叶的转动;不同的是直升机桨叶总向一个方向转动,而昆虫翅转动一定角度后,就翻转过来,向相反方向转动,周而复始.早期,人们认为,昆虫翅与旋翼桨叶、飞机机翼一样,都是以某一攻角相对空气运动,因而,昆虫产生气动力的原理和飞机一样,与滑翔或上升气流中翱翔的鸟一样,没有什么新机制.但当人们用飞机的机翼理论去计算昆虫的气动力和飞行的能耗时,发现翅膀产生的升力远不够平衡昆虫的重量.这是因为,昆

6、虫的尺寸很小(翅长为1∼50mm),因而相对速度很小,所需的升力系数很大,可达机翼的3倍多.因而,人们认识到昆虫是用不同于飞机和直升机的空气动力学原理产生气动力的(Ellington1984a).人们对昆虫飞行的空气动力学原理的探索已有约100年的历史;在过去的二十多年中,取得了很大的进展.可以说,已有了很深入和系统的了解(Weis-Fogh&Jenson1956,Ellington1995,Sane2003,Wang2005,Wu2011).1956年Weis-Fogh和Jensen(1956)

7、系统地评述了之前的相关工作.2005年左右,Sane(2003),Wang(2005),Sun(2005)及Ausai等(2006)的综述论文介绍了Weis-Fogh和Jensen(1956)的评述之后到2005年之前的进展.因而,本文主要介绍2005年以来的工作.首先简述昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的基本方程和相似参数(第2节);然后对2005年之前的工作做一简要回顾(第3节).之后介绍2005年后的进展,依次为:运动学观测(第4节);前缘涡(leading-edgevortex,LEV)(第5节

8、);翅膀柔性变形及皱褶的影响(第6节);拍动翅的尾涡结构(第7节);翼/身、左右翅气动干扰及地面效应(第8节);微小昆虫(第9节);蝴蝶与蜻蜓(第10节);机动飞行(第11节).最后为对今后工作的建议(第12节).孙茂:昆虫飞行的空气动力学32昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的支配方程和相似参数2.1昆虫翅的拍动运动大多数昆虫的翅膀近似在一个称为拍动平面的平面内拍动(图1).对于某一昆虫,拍动平面与身体的夹角通常是固定的.若将昆虫翅膀近似为一刚性板,则翅膀的拍动运动(翅膀相对于身体的运动