仿生微型飛行器撲動(dòng)翼氣動(dòng)特性的數(shù)值研究.pdf

1、微型撲動(dòng)飛行器是一種模仿昆蟲(chóng)或鳥(niǎo)類的撲動(dòng)飛行方式來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行的微型飛行器，其不僅在國(guó)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(dòng)微型飛行器尚有許多關(guān)鍵技術(shù)有待解決，而生物撲動(dòng)飛行的氣動(dòng)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(dòng)力特性以及昆蟲(chóng)或鳥(niǎo)類是如何通過(guò)改變翅膀的撲動(dòng)來(lái)控制影響周圍流場(chǎng)調(diào)整飛行的方法和機(jī)理，對(duì)于仿生撲動(dòng)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(jià)值和廣泛的應(yīng)

2、用前景。
　　針對(duì)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(dòng)飛行器過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文通過(guò)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(dòng)前飛、撲動(dòng)懸停及滑行時(shí)的氣動(dòng)特性，分析了撲翼周圍流場(chǎng)在不同撲動(dòng)方式、撲動(dòng)軌跡和動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)和整機(jī)的氣動(dòng)優(yōu)化提供新思路和理論依據(jù)。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：
　　首先，基于生物飛行中上下?lián)浯蚍绞蕉?/p>

3、為不對(duì)稱的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，分析了人工樣機(jī)機(jī)翼實(shí)現(xiàn)上下非對(duì)稱撲打運(yùn)動(dòng)模式的前提和可行性，建立了翼型的對(duì)稱和非對(duì)稱上下?lián)鋭?dòng)方式和求解撲翼前飛氣動(dòng)特性的數(shù)值模擬模型。研究撲翼上下?lián)浯虻姆菍?duì)稱性對(duì)前飛氣動(dòng)特性的影響，分析了非對(duì)稱撲打方式對(duì)撲翼流場(chǎng)中的渦脫機(jī)制以及尾跡渦街的影響。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)有意識(shí)地打破撲動(dòng)方式的對(duì)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(dòng)平面的剛性翼懸停氣動(dòng)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(jiǎn)化8字形、反簡(jiǎn)化8字形、雙8字形和仿生8字形七種軌跡樣式撲打時(shí)的繞流特征，分析了各種軌跡樣式的氣動(dòng)力和渦脫機(jī)制的各自特點(diǎn)。
　　第三，建立了求解柔性翼?yè)鋭?dòng)前飛的數(shù)值模擬模型，分析了柔性撲翼模型與對(duì)應(yīng)的剛性撲翼模型在流場(chǎng)中繞流特性的不同，研究柔性撲翼在不同頻率和

5、撲動(dòng)幅值下前飛的氣動(dòng)特性，揭示了柔性翼?yè)鋭?dòng)前飛的輸出氣動(dòng)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(shí)流場(chǎng)特征的數(shù)值計(jì)算方法，柔性翼模型由前緣至轉(zhuǎn)動(dòng)中心的剛性部分和轉(zhuǎn)動(dòng)中心至后緣點(diǎn)的柔性部分組成，研究了由轉(zhuǎn)動(dòng)中心的移動(dòng)而引起的柔性部分所占翼型比例的變化以及翼后緣處動(dòng)態(tài)彎曲幅值的變化對(duì)撲動(dòng)懸停的非定常氣動(dòng)力及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響；揭示了柔性效應(yīng)對(duì)懸停特性的改善以及過(guò)度的柔性彎曲變形而引起的撲翼氣動(dòng)特性迅速惡化的