流体力学课程论文.doc

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1、扑翼飞行机器人翅型和非定常涡格法计算研究1.引言人类最占老的梦想Z—就是能有翅膀自由飞行，扑翼飞行器正是这种想法的体现，其飞行机理来自于鸟和昆虫的飞行。近年来随着MEMS等技术的发展，微型飞机（MAV）的研究越来越引起了人们的重视。微型飞行器概念起源于20世纪90年代初。由于其尺寸•小、重量轻，在军用方而，微型飞行器主耍用于低空侦察、通信电子干扰和对地而攻击等任务；在民用方面，微型飞行器可用于通信中继、环境研究、人道主义排雷、自然灾害的监视与救援。由此可见，微型飞行器在军用和民用方面具有非常广泛的应用前景。由于微型扑翼飞机在气动力和稳定性方而的优势，现在国内外对微扑翼飞行的研究越来越多。冃前

2、国内外对扑翼飞行的研究多是从生物流体力学或仿生学的角度对鸟类和昆虫的飞行机理进行研究。由于翅膀扑动产生了非定常流动和涡，使得应用于固定翼飞机的常规空气动力学理论不适用。由于鸟翼和昆虫翼运动的复杂性，人们只能简单地模仿具运动来制造扑翼飞行器。根据果蝇扑翼模型的外形和运动学数据，通过解三维非定常N・S方程的方法，对昆虫翼的飞行机理进行了数值模拟，认为产生高升力有3个因素：（1）拍动开始阶段翅的快速加速运动，⑵拍动中的不失速机制，（3）拍动结朿阶段翅的快速上仰运动；而非定常涡格法具有快速高效的特点，有利于气动一结构耦合计算思路的实施。冃前对扑翼飞行器的研究大多是研究其挥舞运动，即俯仰运动和身体的升

3、降运动，没有考虑真正的扑动，女OJones等。对于扑翼飞行器的扑动，由丁•气流存在展向流动，二维分析可能不再适用。曾锐等采用了空间非定常涡格法分析了仿鸟微型扑翼的气动特性，计算结呆跟实验结果在趋势上有一定程度的吻合。刘岚等采用ANSYS/CFD中的ALE单元来求解三维N・S方程得到流场中每个时间步上各网格点的速度和压力，但计算条件和实验条件不一致，结果有待实验进一步验证；而且三维N・S方程对儿何边界条件耍求严格，冃前只能处理刚性扑翼，对外形变化较大的扑翼的处理还需进一步研究。所以冃前仍没有一种成熟的算法来计算扑翼飞行器的气动力，各种算法均处于探索当中。2•仿生扑翼飞行器的特点仿生扑翼飞行器是

4、一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。生物飞行能力和技巧的多样性多半來源丁•他们翅膀的多样性

5、和微妙复杂的翅膀运动模式。鸟类和昆虫的飞行表明，仿生扑翼飞行器在低速飞行时所需的功率要比普通飞机小的多，并且具有优异的垂直起落能力，但要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动模式，或是像蜡蜓等昆虫那样高频扑翅运动非常困难，设计仿生扑翼飞行器所遇到的控制技术、材料和结构方而等问题仍是一难题，但将这种概念用机械装置去实现，本身并不是决定性的，关键是在于人类要去不断的尝试。仿生扑翼飞行器通常具有尺寸适中、便丁•携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点,因此在民用和国防领域有十分重耍而广泛的应用，并能完成许多其他飞行器所无法执行的任务。它可以进行生化探测与环境监测，进入生化禁区执行任务；可以对森林、草原和农田上的火

6、灾、虫灾及空气污染等生态环境进行实时监测；可以进入人员不易进入地区，如地势险耍战地，失火或岀事故建筑物中等；特别在军事上，仿生扑翼飞行器可用丁•战场侦察、巡逻、突袭、信号干扰及进行城市作战等。3•国内外研究情况研究起步相对较晚，但国内科学家们始终关注着具发展动态，并也开始这方面的基础和应用研究工作。仿生学方面，张志涛等、曹雅忠等、程登发等、吴孔明和郭予元、彩万志等分别开展了生物飞行动力学、生理学、功能形态学等方面的研究。清华大学的曾理江等人重点进行了昆虫运动机理研究和应用以及有关昆虫运动参数的测量和分析，在此基础上建立了昆虫运动模型，研究了昆虫运动机理。北京航空航天大学的孙茂等人用Navie

7、.Stokes方程数值解和涡动力学理论研究了模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性，解霽了昆虫产生高升力的机理，在此基础上探索了微型飞行器的飞行原理，包括气动布局新概念、新控制方式、最大速度、允许重量、需耍功率等问题。南京航空航天大学的昂海松等人通过非定常涡格法的计算分析了仿鸟复合振动的扑翼气动特性。赵亚博也就关键力学和竹能材料问题进行了研究。上海交通大学正在研究翼展50〜60mm的基丁电磁和基于压电驱动的扑翼