蜻蜓翅膀的力学研究进展

本文对蜻蜓翅膀的力学问题研究进展进行了综述.蜻蜓之所以成为自然界最优秀的飞行者之一,是因为其翅膀的特殊结构.翅结和翅痣的作用,是在飞行中平衡翅膀前后两部分和消除翅膀振颤.常用的翅膀模型有四种:概念模型、物理模型、简单分析模型和数值分析模型.其中前三种模型过于简化,数值模型虽然可以进行三维数值模拟,但是忽略了翅膀的材料组成.本文还分析了蜻蜓翅膀的飞行机制和力学特点,认为蜻蜓的飞行力学分析必须考虑非定常流的影响;介绍了翅膀的弹性模量、硬度和抗弯刚度的测量方法,指出翼展方向的抗弯刚度(EI)与翼展长度的三次方(L3)成正比,翼弦方向的抗弯刚度(EI)与翼弦长度的平方(D2)成正比;最后提出了对蜻蜓翅膀力学的研究展望和有待于进一步解决的问题.     

Experimental investigations of the functional morphology of dragonfly wings

Nowadays, the importance of identifying the flight mechanisms of the dragonfly, as an inspiration for designing flapping wing vehicles, is well known. An experimental approach to understanding the complexities of insect wings as organs of flight could provide significant outcomes for design purposes. In this paper, a comprehensive investigation is carried out on the morphological and microstructural features of dragonfly wings. Scanning electron microscopy （SEM） and tensile testing are used to experimentally verify the functional roles of different parts of the wings. A number of SEM images of the elements of the wings, such as the nodus, leading edge, trailing edge, and vein sections, which play dominant roles in strengthening the whole structure, are presented. The results from the tensile tests indicate that the nodus might be the critical region of the wing that is subjected to high tensile stresses. Considering the patterns of the longitudinal corrugations of the wings obtained in this paper, it can be supposed that they increase the load-bearing capacity, giving the wings an ability to tolerate dynamic loading conditions. In addition, it is suggested that the longitudinal veins, along with the leading and trailing edges, are structural mechanisms that further improve fatigue resistance by providing higher fracture toughness, preventing crack propagation, and allowing the wings to sustain a significant amount of damage without loss of strength.     

基于MODA算法的有机朗肯循环多目标优化

针对中高温烟气驱动的有机朗肯循环发电系统进行多目标优化设计,以热效率和单位输出功率的系统总投资成本(PER)为多目标函数,选取蒸发温度和冷凝温度为决策变量,引入多目标蜻蜓算法(MODA)对工质苯的最佳循环参数进行寻优,采用一维向心透平效率模型取代固定透平等熵效率,并对工质进行敏感性分析。结果表明:透平效率随蒸发温度增加单调减少,随冷凝温度增加单调增加;在帕累托前沿中,随着热效率的增加,变透平效率寻优结果中PER迅速增加,定透平效率寻优结果中PER增加相对较平缓;热源温度越高,定透平效率寻优结果和变透平效率寻优结果差异越大。     

从竹蜻蜓到直升机旋翼系统

通过对蜻蜓目昆虫的古文献记载、蜻蜓的飞行特点以及葛洪在《抱朴子》中有关"飞车"记载的分析,指出现有文献中关于"竹蜻蜓"起源说法的不当之处.在分析竹蜻蜓的直升飞行状态和倾斜飞行的进动特性的基础上,阐述了直升机旋翼系统与竹蜻蜓的不同之处.指出直升机旋翼系统的拉力产生原理虽近似于竹蜻蜓,但现今已发展成为一个非常复杂的系统,科技含量远高于竹蜻蜓.古代的发明是由生活经验促成,与现代许多发明之原理相近,但是没有及时形成知识体系,仅停留在个案层面,不易推而广之;需要把经验逻辑化、体系化,才便于指导工程实践,形成良性循环.     

Aerodynamic interaction between forewing and hindwing of a hovering dragonfly

The phase change between the forewing and hindwing is a distinct feature that sets dragonfly apart from other insects.In this paper,we investigated the aerodynamic effects of varying forewing-hindwing phase di ff erence with a60 inclined stroke plane during hovering flight.Force measurements on a pair of mechanical wing models showed that in-phase flight enhanced the forewing lift by 17%and the hindwing lift was reduced at most phase differences.The total lift of both wings was also reduced at most phase di ff erences and only increased at a phase range around in-phase.The results may explain the commonly observed behavior of the dragonfly where 0 is employed in acceleration.We further investigated the wing-wing interaction mechanism using the digital particle image velocimetry（PIV）system,and found that the forewing generated a downwash flow which is responsible for the lift reduction on the hindwing.On the other hand,an upwash flow resulted from the leading edge vortex of the hindwing helps to enhance lift on the forewing.The results suggest that the dragonflies alter the phase di ff erences to control timing of the occurrence of flow interactions to achieve certain aerodynamic effects.     

蜻蜓眼睛光栅

介绍了蜻蜓眼睛光栅的制作过程.通过对蜻蜒眼睛光栅的衍射图样进行分析、测量和计算,从而推出蜻蜒眼睛光栅的结构和光栅常量,推测结果与电镜下拍到的结果基本一致.用3片互成60°的普通一维光栅做成二维三重光栅,通过实验和计算机编程2种方法得到的衍射图样与蜻蜒眼睛光栅的衍射图样非常吻合.     

蜻蜓滑翔时柔性褶皱前翅气动特性分析

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluiddynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structuralmechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下表面压力差相较于刚性前翅减小了,从而其升力和阻力也减小了,而在大攻角时,变形后的前缘脉诱导出比刚性前翅更强的前缘涡.因此在攻角小于10$^\circ$时刚性前翅的气动特性优于柔性前翅,继续增大攻角,柔性前翅的气动特性则优于刚性前翅.前翅受载后气动响应时间短,翅尖的变形最大,仅仅产生了垂直于翅膀所在平面方向上的变形,而没有发生扭转,翼根处受到应力最大,褶皱上凸部分承受蜻蜓滑翔时前翅的主要载荷.      

昆虫飞行的高升力机理

对近年来关于昆虫产生非定常高升力的研究进行了综述和归 纳.这方面的工作对生物学研究和微型飞行器等微型机械的仿生设计 有重要意义.研究表明：果蝇等昆虫翅膀的拍动运动可产生很大的非 定常升力，其平均值是定常值的2~3倍，足够平衡昆虫的重量，并有 较大的富余用于机动飞行；产生高升力有三个因素:一是拍动开始阶 段翅的快速加速运动，二是拍动中的不失速机制，三是拍动结束阶 段翅的快速上仰运动.人们从能耗的角度考察了这些非定常高升力机 制的正确性和可行性.当作悬停飞行的果蝇用以上机制产生平衡其重 量的升力时，其比功率(支持单位身体质量所需的功率)约为29W/kg, 生化/机械效率约为17%. 这些值与人们基于对昆虫肌肉力学特性的研 究所预估的值接近.果蝇前飞时，其比功率随速度变化的曲线是一J形 曲线，而不是象飞机或鸟的那样是一U形曲线；这与人们基于昆虫新 陈代谢率的测量数据所推断的结果一致.对于蜻蜒等(功能上)有前、 后两对翅膀的昆虫，有以下初步结果：翅的下拍主要产生升力，上挥 主要产生推力；下拍时的平均升力系数可达2~3,十分大，上挥时的平 均推力系数可达1~2, 也很大，它们主要由非定常效应产生；前、后 翅的相互干扰并未起增大升力和推力的作用，反而有一定的不利作用.     

蜻蜓飞行姿态的实时模拟测量

作为昆虫自由飞行姿态实时测量的预研课题，本文利用投影栅线法对真实蜻蜓翅膀在适当频率摆动的机械驱动下模拟真实飞行时的三维形状变化进行了实时测量，由于在图像采集，预处理，位相提取，抑噪声去包络等环节采取了一系列措施，克服了由于蜻蜓翅膀透明度高，表面微观起伏变化剧烈所导致的栅线条纹图的平均灰度、对比度和信噪比都很低而给数据处理带来的困难，并最终得到了满意的结果。     

蜻蜓非均匀柔性前翼扑动飞行的气动性能研究

为了探究柔性对于蜻蜓前翼在扑动向前飞行时的气动性能, 本文根据蜻蜓前翼的实际参数建立蜻蜓前翼模型, 提出了两种柔性分布方式即均匀柔性分布和沿蜻蜓前翼弦向的变柔性分布. 本文通过STAR-CCM+软件, 首先采用重叠网格和双向流固耦合技术, 用于实现蜻蜓前翼的扑动流固耦合, 其次通过改变蜻蜓前翼固体区域的杨氏模量函数从而实现蜻蜓前翼的两种不同柔性分布. 结果表明, 在均匀柔性分布条件下, 柔性翼在杨氏模量较小时的升力系数和阻力系数曲线的变化规律滞后于刚性翼半周期并且给飞行增加阻力, 但是随着杨氏模量的逐渐增加即柔性逐渐减小, 蜻蜓前翼受到的阻力减小, 获得的推力增加且推力给予蜻蜓前飞的动量增量、加速度以及时均推力系数先增加后减小. 在合理的非均匀柔性分布条件下, 柔性翼显著提高推力系数峰值和时均推力系数, 在扑动前飞时, 给予蜻蜓前翼较大的动量增量以及加速度. 两种柔性分布方式的蜻蜓前翼与刚性翼对比之下, 蜻蜓前翼在柔性为非均匀柔性分布时可以获得更好的气动性能.