《微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、收稿日期：! “ “ ! # “ $ # % ， : 0 ? # ( : ; （ 0 A ) ) B ) 1 ; CD E B F9 1 2 ( : 0 2 A，G 1 H 0 ?7 0 I 1 J A ) K; CL 1 J ; 0 : B ) 2 A : 0 FL A ) J ; 0 : B ) 2 A，G 1 H 0 ? % “ “ “ 4 3，M ( 0 :）摘要：用数值模拟方法研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。由8 # 6方程的数值解提供速度场和压力场， 从而得到涡量、 气动力和力矩 （惯性力矩用解析方法计算） 。基于流场结构， 解释了非定常气动力产生的原因； 基于气动力和力矩，
2、得到需用功率。悬停飞行中揭示出的3个非定常高升力机制 （不失速机制， 拍动初期的快速加速运动， 拍动后期的快速上仰运动） 在前飞时仍然适用 （即使在快速前飞时，!NO! P + 1 J J 1 T B J 1 Q 1 0 ) A C ; J C ; J + : J F C E ? ( ) 0: A Q : E E 0 A 1 2 )+ 1 J 1 A ) B F 1 FB A 0 ? ) ( 1Q 1 ) ( ; F; C 2 ; Q * B ) : ) ; 0 : E C E B F F K 0 : Q 2 A , U ( 18 : I 1 J # 6 ) ; - 1 A 1 T B : )
3、 ; 0 A+ 1 J 1 A ; E I 1 F 0 B Q 1 J 2 : E E K , U ( 1 A ; E B ) ; 0 * J ; I F #1 F ) ( 1 C E ; +I 1 E ; 2 ) K : 0 F * J 1 A A B J 1 C 1 E F A，C J ; Q+ ( 2 ( ) ( 1 I ; J ) 2 ) K+ : - 1 A ) J B 2 ) B J 1 : 0 F ) ( 1 B 0 A ) 1 : F K : 1 J ; F K 0 : Q 2 C ; J 2 1 A: 0 FQ ; Q 1 0 ) A+ 1 J 1 ; / ) : 0 1 F
4、（) ( 1 0 1 J ) : E ) ; J T B 1 A F B 1 ) ; ) ( 1 : 2 2 1 E 1 J : ) ; 0 ; C ) ( 1+ 0 ? # Q : A A+ 1 J 1 2 ; Q * B ) 1 F : 0 : E K ) 2 : E #E K）, D J ; Q) ( 1 C E ; + # A ) J B 2 ) B J 1: 0 FC ; J 2 1 0 C ; J Q : ) ; 0， 0 A ? ( ) A 0 ) ; ) ( 1B 0 A ) 1 : F K: 1 J ; F K 0 : Q 2 C ; J 2 1? 1 0 1 J : ) ;
5、 0+ 1 J 1? : 0 1 F , G : A 1 F; 0) ( 1: 1 J ; F K 0 : Q 2: 0 F 0 1 J ) : E ) ; J T B 1 A，) ( 1Q 1 2 ( : 0 2 : E * ; + 1 J+ : A; / ) : 0 1 F: 0 F ) AI : J : ) ; 0: A:C B 0 2 ) ; 0; C ) ( 1 C E ? ( ) A * 1 1 F+ : A 0 I 1 A ) ? : ) 1 F , ? A B ; C 9： 0 A 1 2 )；B 0 A ) 1 : F K : 1 J ; F K 0 : Q 2 A；* ;
6、+ 1 J J 1 T B J 1 Q 1 0 )；2 ; Q * B ) : ) ; 0 : E C E B FF K 0 : Q 2 A最近， 人们提出了微型飞行器 （9L R） 新概念。9L R若用常规气动布局， 会有低雷诺数下不能产生足够的升力以平衡重量， 无法提供控制所需要的力等问题。而同尺寸的昆虫却是飞行的佼佼者。9L R应仿效之。因而有必要研究昆虫产生高升力的机理及所需的功率问题。在这方面， 已有了许多工作。V E E 0 ? ) ; 0%在对鹰蛾及其自动拍动模型的流场显示试验中发现昆虫翅膀在拍动过程中， 前缘涡 （失速涡） 在下拍和上挥 （拍） 时均不脱落。经过对旋涡及流体的冲
7、量的分析， 他们认为前缘涡不脱落是昆虫翼产生高升力的机制之一。G J 2 (和W 2 - 0 A ; 0!对果蝇的自动拍动模型的流场显示和气动力的测量研究 （果蝇的雷诺数要比鹰蛾小%到!个量级） ， 也表明了这一点。W 2 - 0 A ; 03在对“ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “果蝇翅膀模型的气动力的测量中发现， 在一定条第! 3卷第 E P ! 38 ; P 形曲线。我们将直接计算需用功率
8、， 考察其是怎样随着飞行速度变化的。我们拟针对果蝇进行研究。研究方法为数值求解）（)）图2模型昆虫翅膀及坐标系示意图? ( 7 1 2# * 0 $和 ?( (及9 / : ; 0 $等( “的拟压缩性方法来求解上述方程。此算法基于拟压缩性的思想， 即在连续方程中加入压力对虚拟时间的偏导数项， 这样整个方程组为双曲型， 每个物理时间步用拟时间进行内迭代， 对流项采用9 / ;格式后进行通量差分裂， 这种迎风格式可得到对角占优的矩阵， 用线 A $ $ 6 7 ; % B ; C方法进行迭代求解。对流项离散为三阶精度。粘性项采用二阶中心差分。时间项采用二阶三点后差。远场边界条件为， 入流边界的速
9、度给定， 压力外差； 出流边界的速度外差， 压力给定。物面为不滑移条件， 物面压力由动量方程法向分量确定。此方法及所编程序已在文献 3，4 中进行了 较详细的与实验数据对比的验证； 同时， 对网格和时间步的影响也作了考查。这里所使用的网格，计算域的大小和时间步等参数均与文献 4 中的一致。! “ 坐标系描述本文中用到1个坐标系， 其中两个是惯性系，- . / 0和6 , 7 , + , 8 ,， 见图(。惯性系- . / 0的原 点-位于翅膀根部；.和/轴在水平面上，.轴 在来流方向上， 向后为正，/轴垂直于.轴， 向右 为正，0轴垂直于水平面， 向上为正。坐标系6 , 7 ,+ , 8 ,的
10、原点与坐标系- . / 0的原点重合，+ ,轴与/轴重合，但6 , 7 , + ,平面为拍动平面。第1个坐“ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “4,1第.期孙茂等： 微型飞行器的仿生流体力学 昆虫前飞时的气动力和能耗标系是随体坐标系! “ # $。它的原点与其它两个坐标系的原点重合， 其随翅转动。“轴在翅的弦向方向，#轴在翅的展向方向。! “ #气动力的计算求解! “ #方程以后， 得到了流场中每
11、个时间步上各网格点的速度和压力。翅膀的气动力是由翅表面的粘性剪切力和压力组成的。积分某一时间步翅表面的压力和粘性力的就得到该时间步的气动力了。翅膀升力%是垂直于拍动速度方向的气动力的分量 （垂直于拍动平面） ， 阻力，两翅 膀 面 积02为, 5 , - / % ;.， 平 均 弦 长5为, 5 , 4 0 % ;， 拍 动 幅 度% ? 6 -测量过在-种飞行速度下的阻力。速度范围从, 5 -到. 5 - ;。我们只考虑这些前 飞速度， 以便使用已有的身体阻力数据。翅膀的平均推力要平衡这个阻力。一般地， 拍动平面与昆虫体轴的夹角是恒定的。由= ? : ? A 3 B C + 3（!0）$ 8
12、 9 ） ，* ? 5 : 98 3 3 $ D* ? A + 3 B 8 D 9 E : ? 9 ? 5 : 9!（F）G 9 B + C + A HG ? $ 9 B 3 ? A!G B IJ * E : ? A B）C 上述的支持昆虫重量的升力系数“#和克服身体阻力的推力系数“$来源于翅膀的升力和阻力系数“(和“)。事实上，“)只有其在* +轴上的分量 （定义为“) +） 对“#和“$有贡献 （“)与翅的 气动功率有关） 。“(，“)和“) +的曲线见图D。图D不同飞行速度下翅膀升力系数， 翅膀阻力系数及其* +轴分量随时间的变化曲线“ # $ % D E # ( $ / # 6 4 3
13、 , 6 6 # 3 # , ( 4“(（.） ，. ( *= # ( $* 1 . $ 3 , 6 6 # 3 # , ( 4“)（;） ，. ( * +3 + 7 ( , ( 4 6= # ( $* 1 . $3 , 6 6 # 3 # , ( 4“) +（3）2 , 1 - 0 - 4 # + ,* 0 1 # ( $ ( ,3 5 3 / ,6 16 # 2 ,. * 2 . ( 3 ,1 . 4 # -%） ，（3） 中我们可以看到， 在下拍中! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
14、 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !AI!航空学报第G !卷图!“ #时一个周期内翅膀中部剖面流线$ % 9 * % 6 8 1 6 , 7* 1 + % )!“#）!，1 6 - 6 1 : % , + ) * J 9 7 , ) 7 3 3 % , % 7 6 + 0 3 ) * + * 1 6 0 / 1 + % ) 6“ 3 ) * * ) + 1 + % ) 6“ 8 1 6 , 7 * 1 + % ) 0! 拍动和转动的惯性力矩系数 （“?）时， 一个拍动周期内的!%*的平均值接近 （或略 小） 于悬停。而高速 （#9 :
15、 ; =） 时，!%*的平均值比 悬停时大很多。需用功率也将随速度这样变化。从图 ; : 62时， 下拍做的功分别是上挥的 ; B和= ; 倍。图及)9 ; ，!“，“ ; ! ; : ; ? != ! : ; K : ; ; : BB :J 种方法是假设在拍动 （转动） 中负功可以储存起来， 等到在相应的拍动 （转动） 中需要做正功时释放出来。第=种方法是假设肌肉作负功时消耗能量很小， 可忽略。孙茂和唐剑?对果蝇悬停的研究中采用了第=种方法， 这里也这样做， 即!(!/*/!/)（ :）文献 ? 指出， 因负功要远远小于正功， 故上述的几种假设所计算出来的!的值与方程 （ :）所得到的值没有太大的不同。!I*和!I)的值见 表 ?时， 比功率仅比悬停时的小!=航空学报第 =卷速前飞时，!“ # ! # $ % 6? /9，- 5 4 4 8 7 5 D 5 6 5 6 D 7 E 4 5 / F 71B G ，) , , *，+ I J：* # * 0 * + ( B#? 5 D F1K，L 5 D . 5 6 8 6KMB N O E 4 8 P 6 78 E 7 F 4 = /
