仿生微型飛行器撲動翼氣動特性的數(shù)值研究.pdf

1、微型撲動飛行器是一種模仿昆蟲或鳥類的撲動飛行方式來實(shí)現(xiàn)飛行的微型飛行器，其不僅在國防軍事領(lǐng)域具有重要的戰(zhàn)略意義，而且在民用方面蘊(yùn)含著潛在的巨大經(jīng)濟(jì)收益。目前，研制實(shí)用型撲動微型飛行器尚有許多關(guān)鍵技術(shù)有待解決，而生物撲動飛行的氣動機(jī)理就是其中之一。深入系統(tǒng)地研究撲翼的非定常氣動力特性以及昆蟲或鳥類是如何通過改變翅膀的撲動來控制影響周圍流場調(diào)整飛行的方法和機(jī)理，對于仿生撲動微型飛行器的進(jìn)一步發(fā)展有極為重要的意義，具有重要的學(xué)術(shù)價值和廣泛的應(yīng)

2、用前景。
　　針對目前撲翼飛行機(jī)理的研究現(xiàn)狀和研制實(shí)用型微型撲動飛行器過程中存在的問題，本文通過計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法,研究了剛性和柔性的機(jī)翼模型在撲動前飛、撲動懸停及滑行時的氣動特性，分析了撲翼周圍流場在不同撲動方式、撲動軌跡和動態(tài)形變等條件下的繞流特點(diǎn)和渦脫機(jī)制，并結(jié)合研究成果為撲翼飛行器控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和整機(jī)的氣動優(yōu)化提供新思路和理論依據(jù)。本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：
　　首先，基于生物飛行中上下?lián)浯蚍绞蕉?/p>

3、為不對稱的實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果，分析了人工樣機(jī)機(jī)翼實(shí)現(xiàn)上下非對稱撲打運(yùn)動模式的前提和可行性，建立了翼型的對稱和非對稱上下?lián)鋭臃绞胶颓蠼鈸湟砬帮w氣動特性的數(shù)值模擬模型。研究撲翼上下?lián)浯虻姆菍ΨQ性對前飛氣動特性的影響，分析了非對稱撲打方式對撲翼流場中的渦脫機(jī)制以及尾跡渦街的影響。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)有意識地打破撲動方式的對稱性是能夠改進(jìn)撲翼前飛性能的，能使其具有更好的適應(yīng)性和靈活性。
　　第二，基于樣機(jī)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中常用的幾種振翅模型建立了四種具有

4、相同平均準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)升力系數(shù)的撲打模式和七種類型的拍打軌跡樣式，并確立求解以水平面為撲動平面的剛性翼懸停氣動特性的數(shù)值計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，研究了翼型以直線形、橢圓形、反橢圓形、簡化8字形、反簡化8字形、雙8字形和仿生8字形七種軌跡樣式撲打時的繞流特征，分析了各種軌跡樣式的氣動力和渦脫機(jī)制的各自特點(diǎn)。
　　第三，建立了求解柔性翼撲動前飛的數(shù)值模擬模型，分析了柔性撲翼模型與對應(yīng)的剛性撲翼模型在流場中繞流特性的不同，研究柔性撲翼在不同頻率和

5、撲動幅值下前飛的氣動特性，揭示了柔性翼撲動前飛的輸出氣動力和推進(jìn)效率都要高于剛性翼型的結(jié)果。
　　第四，建立模擬柔性撲翼懸停飛行時流場特征的數(shù)值計(jì)算方法，柔性翼模型由前緣至轉(zhuǎn)動中心的剛性部分和轉(zhuǎn)動中心至后緣點(diǎn)的柔性部分組成，研究了由轉(zhuǎn)動中心的移動而引起的柔性部分所占翼型比例的變化以及翼后緣處動態(tài)彎曲幅值的變化對撲動懸停的非定常氣動力及流場結(jié)構(gòu)的影響；揭示了柔性效應(yīng)對懸停特性的改善以及過度的柔性彎曲變形而引起的撲翼氣動特性迅速惡化的