蚊子飞行背后的空气动力学

<正>蚊子是奇特的飞行者。相比其他昆虫、鸟类和蝙蝠,它们的翅膀轻薄狭长,科学家一直想知道蚊子是怎样飞离地面的。现在新的研究表明,这些动物是通过扭转它们的翅膀而起飞的。大多数动物产生升力(让它们保持在空中的力),是在每次翅膀煽动的向下拍动期间,翅膀前缘产生的空气旋涡,减少了翅膀上的压力,推动动物上升。但是蚊子通过一点额外的东西增加了前缘升力。为了找出那个东西,科学家用高速摄影机拍摄南方库蚊,并进行飞行动力学建模。他们发现蚊子在每次向上和向下拍动的最后阶段会扭转翅膀,沿这个翅膀长度产生升力,这就解释了长翅膀更     

扑翼尾流脱落涡特性的PIV实验研究

通过色流实验和粒子成像测速技术(particle image velocimetry, PIV)对扑翼近场尾流脱落涡的结构轨迹和能量进行了定性及定量研究.结果表明:因展向流动充分性的不同, 存在两种牛角型涡系结构; 上下扑时翅翼交替产生顺时针和逆时针脱落涡, 两涡运动轨迹呈近似弧形对称, 对称轴的仰角略大于攻角; 脱落涡的涡心涡量在上下扑极点达到最大值, 环量最大值出现在到达极点前的1/5~2/5周期之间; 产生脱落涡的半周期内, 涡的平均环量都随减缩频率的增大而增大, 减缩频率较低时, 下扑平均环量大于上扑平均环量, 减缩频率较高时则相反; 振幅对涡能量影响明显, 减缩频率为2~2.5时, 振幅±40°时的涡平均环量约是振幅±30°时的两倍, 减缩频率越大振幅影响越明显.      

一个新的网格多翅膀混沌系统及其电路实现

提出了一个新的三维二次自治混沌系统,与大多数广义Lorenz系统一样,该系统只能产生双翅膀吸引子.依据该双翅膀混沌系统平衡点和吸引子的拓扑结构,设计合适的非线性函数可以将其改进为一个产生网格多翅膀吸引子的混沌系统.对该网格多翅膀混沌系统的基本动力学特性进行了分析,证实了多翅膀吸引子的混沌特性.最后设计了混沌电路,给出了多翅膀混沌吸引子的电路仿真结果,证实了理论设计与电路实现的一致性.     

鸟类飞行空气动力学对人类飞行的启示

文章回顾了人类早期仿鸟飞行失败的历史,究其失败原因在于盲目模仿鸟的翅膀的形状和运动规律,而没有研究扑翼飞行的空气动力学原理。随着对空气动力学研究的逐渐深入,人类成功研制了各类飞行器。在飞行器气动技术的发展历史过程中,许多技术革新均受到鸟类飞行空气动力学的启示,例如低速翼型、流线型细长机身、平尾和起落架的设计等等。     

昆虫飞行中翅膀序列图像特征匹配方法

分析了翅膀外形结构特点以及在序列图像中翅膀边缘特征的变化,提出了基于拓扑变换的几何相对位置不变的约束方法,对翅膀边缘特征进行分区域匹配去掉虚假匹配点;然后利用极线约束实现精确匹配,最终得到在运动过程中翅膀的三维形貌。提出的约束匹配方法不仅有效地剔除了虚假匹配,同时也极大地减小了特征匹配的运算量。实际应用证明此约束匹配方法是较为有效的。     

可变形翼帮助鸟类自由滑翔

通过肌肉控制骨骼的活动关节,鸟类可以不断变换羽毛的交叠状态,从而改变翅膀的形状和大小,不必拍打翅膀就能在空中轻松滑翔。为了深入了解其中的机理,荷兰研究者研究了风洞中的普通雨燕。具有高超滑翔本领的雨燕,大部分时间都处在空中(甚至不用拍打翅膀)。他们发现雨燕翅膀在充分向外展开时最适于缓慢滑翔,此时需要的新陈代谢最少。当雨燕翅膀向外伸展并以每秒8~10米的稳定速度滑翔时,实际上是在休息。而翅膀朝尾部后掠收回(见图)不仅能高速滑翔,而且动作更加轻盈。特别是翅义常行.8.膀后掠可以负担更多载荷,在每秒30米高速转弯时承受住不断…     

飞虫与仿生机器人

正经过数十年的努力,人们慢慢理解了飞虫飞行的奥秘。如今,飞虫仿生机器人又带来更多发现。尽管果蝇的身体瘦弱,但它却具有一流的飞行能力。它舞动翅膀的肌肉每秒钟可运动200个来回,是整个星球上运动最快的肌肉之一。年复一年,生物学家不断研究飞虫飞行的奥秘,但早期研究并不成功。80年前的理论计算显示黄蜂是不能飞行的,它的翅膀太小,扇动的速度也太慢,没办法产生足够的升力让壮硕的身体漂浮在空中。     

从蜻蜓翅痣谈飞机机翼颤振及其抑制

 在蜻蜓长长的翅膀端部前缘都能发现一小块加厚的角质层，这一小块角质层称为翅痣，参见图1所示。翅痣对于蜻蜓的平稳飞行有着非常重要的作用，如果将蜻蜓翅痣人为破坏或去除掉，则蜻蜓将失去平稳飞行的能力，飞行会变得摇摇晃晃。实际上，不仅仅是蜻蜓具有翅痣，在许多具有相对较长翅膀昆虫的翅膀前端（前缘）都能够发现翅痣，参见图2所示。翅痣对于这些昆虫的平稳飞行而言同样具有关键而重要的作用，如果没有翅痣，这些昆虫在飞行中可能会出现一种破坏性的不利振动——颤振。     

不同系列翼型扑翼的获能特性研究

本文利用UCFD计算软件,对扑翼扑动获取潮流能进行了数值模拟研究。参照相关实验结果,进行数值模拟结果的确认。对不同系列翼型在水中获能变化进行了数值模拟和对比研究。结果表明:对于NACA 4系列、A系列和S系列翼型,获能效率随着叶片的厚度先逐渐增大后减小;对于所研究的NACA 6系列和FX系列基本随着翼型厚度的增大而增大;对于弯度相差不大的翼型,只要翼型厚度相近,且涡的形成与耗散方式相同,则其获能效率相近;对于相等厚度的翼型,翼型最大厚度的位置离尾缘越近,则翼型的获能效率会越低;对于薄翼型来说,对称翼型比不对称翼型有更高的获能效率;前缘涡在合适的位置生成与脱落,有利于提高翼型的升沉力和升沉力做功。     

几种仿生翼型气动性能及噪声特性研究

依据翼型理论分别提取四种鸟类翅膀沿展向40%截面处的翼型,采用大涡模拟结合声类比的FW-H方程的方法对不同仿生翼型进行流场及声场的模拟。非定常流场的计算结果表明,在逆压梯度作用下,气流在叶片吸力面前缘开始分离;在叶片下游处产生了明显的涡结构,脱离叶片尾缘后涡结构发生破碎。在四种仿生翼型中,海鸥翼型的升阻比最大,鹗翼的升阻比最小,但鹗翼具有优良的降噪特性。声压级的方向性分布揭示了仿生翼型声源具有偶极子声源特性。     

串列扑翼间前缘涡在不同间距下对平均推力的影响

利用压力传感器测量扑翼的瞬时力,利用数字粒子测速仪（digital particle image velocimetry,DPIV）系统测量扑翼的前缘涡以及周围的流场,来揭示前缘涡在不同间距下对扑翼平均推力的影响.实验在一个低Reynolds数循环水洞中进行,两串列扑翼均做二维正弦平动.在固定的相位差下,当间距增加时,后翅前缘涡对前翅的影响具有相似性,均提高或者均降低前翅的平均推力.前翅平均推力的提高是由于后翅的前缘涡提高了前翅尾部的射流速度以及有效攻角.随着间距的增加,后翅前缘涡对前翅的影响急剧下降,使得前翅的平均推力快速接近于单翼值.在固定的相位差下,当间距增加时,前翅的脱落涡对后翅的影响变化非常大,后翅的平均推力可能先升高后降低,这是因为间距改变了前翅脱落涡作用于后翅的时间点.当前翅脱落涡遇到后翅,并且和后翅的前缘涡有相同的旋转方向时,前翅的脱落涡会抑制后翅前缘涡的形成,并且后翅的有效攻角减小,其平均推力降低.如果这两个涡的旋转方向相反,那么后翅有效攻角就会增大,平均推力值就会提高.      

三种常见农药荧光光谱的量子化学研究

扑海因、啶虫脒和西维因是几种较为常用的农药分子。文章对此三种化合物分子的荧光光谱进行了理论研究。在B3LYP/6-31G水平下优化了这三种化合物的几何构型。在振动分析中,均未出现虚频率。基于此,在B3LYP/6-31+G的水平下计算了该类化合物的荧光光谱,所有计算结果与实验值基本吻合。此外,作者还发现扑海因分子中形成了分子内氢键,但是不太稳定,其键长为0.234 8 nm左右。     

不同类型混沌吸引子的复合

为了实现不同类型混沌吸引子之间的复合,采用理论分析、数值仿真和电路仿真方法,通过设计合适的切换控制器实现了不同两涡卷混沌系统之间的复合、不同多涡卷混沌系统之间的复合、两涡卷混沌系统与两翅膀混沌系统之间的复合和多涡卷混沌系统与多翅膀混沌系统之间的复合.通过观察吸引子相图、最大Lyapunov指数和Poincaré截面,分析了复合系统的动力学行为.设计了复合多涡卷-多翅膀吸引子的模拟电路,并对其进行了电路仿真,得到的电路仿真结果与数值仿真结果相一致.这表明利用切换控制器实现不同类型混沌系统之间复合方法的正确性.     

特殊光子晶体电磁散射角偏特性及其应用研究

应用数值方法对特殊光子晶体-蓝蝴蝶翅膀微结构的光学散射角偏特性进行了深入研究.根据蓝蝴蝶翅膀的表皮微结构简化模型,应用时域有限差分(FDTD)方法对其在自然光照射下的散射角偏特性进行了分析,深入研究了此光子晶体中各结构参数对光散射角偏特性的影响,详细探讨了该光子晶体的角偏特性散射机理及其在军用目标隐身设计中的应用.     

阿扑西林结构确证的谱学研究

对青霉素类抗生素阿扑西林的红外光谱（IR）、紫外光谱（UV）、核磁共振氢谱（¹H NMR）、氢氢相关谱（¹H-¹H COSY）、核磁共振碳谱（¹³C NMR）、DEPT谱、碳氢相关谱（HSQC）、质谱（MS）进行了解析,对其所有的NMR谱信号进行了归属,同时讨论了质谱的主要碎片离子的可能的裂解方式和红外特征吸收峰所对应的官能团的振动形式. 通过多种波谱技术确证了阿扑西林的结构.     

温带蝴蝶翅膀的结构色机理研究

为了明晰生活在温带地区的蝴蝶翅膀的色彩产生机理,从而将这种生色机理应用在纺织品印染工艺上,解决目前高耗水、重污染的行业问题,文章选取了生活在温带的线蛱蝶和大紫蛱蝶两种蝴蝶,并分别在其翅膀上选定了各两个不同的颜色部位,利用扫描电子显微镜观察鳞片的微观结构,发现每种蝴蝶鳞片表面都具有脊脉、交叉肋等非光滑的周期结构,但其微尺寸有所区别。采用Ocean USB2000微型光谱仪分别对四个部位进行了多角度的光谱测试,发现只有大紫蛱蝶的紫色部位出现了波峰随角度偏移的现象,而这一偏移现象正是结构色的特征之一。随后针对这一紫色部位,采用乙醇替代空气作为鳞片的间质,发现鳞片色彩会改变,确认了大紫蛱蝶的紫色部位显色机理为光子晶体结构色。最后以大紫蛱蝶的紫色部位鳞片的微结构为基础模拟建立光子晶体模型,并利用平面波展开法计算了该结构的带隙,并分析了带隙与其色彩之间的对应关系。     

离子注入物理在微电子技术中的应用

 微电子技术是在半导体芯片上采用微米或亚微米级加工工艺制造微小型电子元器件和微型化电路的新兴技术。这一技术是现代高科技腾飞的翅膀,是现代信息技术的基石,是世界新技术革命的先导。60年代以来,微电子技术的发展突飞猛进。     

神光-Ⅲ主机装置下装模块空间对接关键技术北大核心CSCD

初步分析了在建神光-Ⅲ主机装置下装模块空间对接过程,指出"对中"和"碰撞"问题是下装模块空间对接监测的关键技术。"对中"监测技术主要是将三维问题转换为二维问题,利用机器视觉扑捉特征点下装模块进行位置和姿态的判断。"碰撞"监测技术主要是利用下装模块装校过程发生碰撞必然产生"力"的作用的原理,监测碰撞点上各个方向作用力,间接反映碰撞发生程度,并将测量数据分析后反馈至对接平台执行,及时修正下装模块空间对接运动轨迹,实现了下装模块全过程的"轻碰撞"对接。     

筒帆实验

据说牛顿看见苹果从树上落下来导致他研究并发现了万有引力公式。现在飞机每天从我们头上飞过,有多少人注意并理解了用金属做成的飞机为什么能在空气上面飘浮?是一种什么力量抵抗地球的强大吸引力而使得它不落下来呢?空气比轻金属还轻几千倍,它显然不同于按照阿基米德原理而飘浮在水面上的铁船。这个浮力是在飞机疾速向前的同时产生的。用F来表示它其中l是飞机翅膀的长度,ρ是空气密度;V是飞行速度,而Γ叫做环流量(Cirulation) 德国物理学家M.W.Kutta(1867-1944)和俄国空气动力学家H.　　　　　(1847-1921)各自导出了上述公式,因而称为ku…     

昆虫自由飞行时翅膀攻角的光学测量

昆虫运动空气动力学研究需要测量昆虫运动的多种参数。其中 ,翅膀攻角是主要参数 ,是流体分析时主要的边界条件之一。由于昆虫的运动参数的测量同一般的测量相比具有一些特殊要求 ,它要求一定是非接触测量 ,因此成功的测量方法大都集中在光学测量方法上。本文以近年来有关昆虫自由飞行的实验为基础 ,着重介绍几种比较有特色的翅膀攻角的光学测量方法