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.      

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.      

昆虫飞行的空气动力学

昆虫是最早出现、数量最多和体积最小的飞行者. 它们能悬停、跃升、急停、快速加速和转弯, 飞行技巧十分高超. 由于尺寸小, 因而翅膀的相对速度很小, 从而进行上述飞行所需的升力系数很大. 但昆虫翅膀的雷诺数又很低. 它们是如何在低雷诺数下产生高升力的, 是流体力学和生物学工作者都十分关心的问题. 近年来这一领域有了许多研究进展. 该文对这些进展进行综述, 并对今后工作提一些建议. 因2005 年前的工作已在几篇综述文章有了详细介绍, 该文主要介绍2005 年以来的工作. 首先简述昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的基本方程和相似参数; 然后对2005 年之前的工作做一简要回顾. 之后介绍2005 年后的进展, 依次为: 运动学观测; 前缘涡; 翅膀柔性变形及皱褶的影响; 拍动翅的尾涡结构; 翼/身、左右翅气动干扰及地面效应; 微小昆虫; 蝴蝶与蜻蜓; 机动飞行. 最后为对今后工作的建议.      

昆虫飞行的空气动力学

昆虫是最早出现、数量最多和体积最小的飞行者,它们能悬停、跃升、急停、快速加速和转弯,飞行技巧十分高超,由于尺寸小,因而翅膀的相对速度很小,从而进行上述飞行所需的升力系数很大,但昆虫翅膀的雷诺数又很低。它们是如何在低雷诺数下产生高升力的,是流体力学和生物学工作者都十分关心的问题,近年来这一领域有了许多研究进展。该文对这些进展进行综述,并对今后工作提一些建议。因2005年前的工作已在几篇综述文章有了详细介绍,该文主要介绍2005年以来的工作。首先简述昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的基本方程和相似参数;然后对2005年之前的工作做一简要回顾。之后介绍2005年后的进展,依次为:运动学观测;前缘涡;翅膀柔性变形及皱褶的影响;拍动翅的尾涡结构;翼/身、左右翅气动干扰及地面效应;微小昆虫;蝴蝶与蜻蜓;机动飞行。最后为对今后工作的建议。     

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.     

乘波体前体/进气道一体化设计研究

为了研究乘波体几何外形参数和飞行参数对前体/进气道一体化设计的影响,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,以马赫数Ma=6和攻角α=0为设计状态、进气道总压恢复系数和前体阻力系数为目标函数,对乘波体前体/进气道进行了优化设计,并在此基础上研究了攻角、马赫数、前缘半径、前体宽度对气动参数的影响。结果表明:该乘波体前体/进气道构型具有良好的攻角特性,总压恢复系数比基准构型提高17.79%,阻力系数比基准构型降低78.5%,符合高超声速飞行器高升力、低阻力的要求,且非常适合小攻角高超声速巡航飞行;为了得到较高升阻比的前体,在前缘半径R≤2mm的范围内进行流场反设计时,可以将设计马赫数的取值比预期低一些。     

鸟类羽毛在气流中变形的力学特性研究

鸟类羽毛在飞行中的物理性质是仿生力学关心的重要问题之一.基于CFD/CSD数值模拟方法研究了羽毛微结构在气流作用下的变形和力学特征,揭示了鸟类静止时羽毛蓬松、而在飞行状态下紧贴皮肤表面保持表面光滑的物理机制.首先,通过对鸟类羽毛在显微镜下的观察,将羽毛分解成典型简单微结构以模仿羽枝单元,从而对羽毛外形和结构进行建模,之后,采用CFD/CSD方法分析比较了两种典型羽枝模型结构(片状和枝状羽枝单元)的变形和力学特征,最后,基于上述片状羽枝模型进一步研究了来流方向对羽枝变形的影响机理及多根排列羽枝的变形和力学特征.结果表明:在一定风向的范围内,羽毛在气流下都具有保持紧贴皮肤表面的变形趋势,这种紧贴壁面的趋势只有在气流与羽轴几乎垂直时才会改变;在来流侧滑角为45°时,羽枝沿皮肤表面法向下压的变形最为显著,尖端位移达原始高度的约97%;多根排列的羽枝在顺流方向气动载荷逐渐下降,与迎风首根羽枝最大差距约11%.此研究工作对于理解鸟类飞行时羽毛的力学特性有明确的学术价值.     

蜻蜓翅膀宏细观结构的实验观察与力学分析

0引言 蜻蜓翅膀是由纵脉和横脉组成的一个凹凸相间的立体网状结构(如图1所示).翅膀重量不到0.005 g,翅膜厚度只有2-3 μm,它每秒却可拍翅30-50次,冲刺飞行速度高达40 m/s.蜻蜒可以实现扑翼、滑行、悬停等飞行,蜻蜓的高超飞行能力与它的翅膀特殊结构有关.本论文主要研究蜻蜓翅膀的宏细观结构及其力学性能.     

方形截面弹俯仰振荡对滚转特性的影响

飞行器在大气环境中飞行时,经常受阵风等的干扰,引发非指令的自激振荡,威胁飞行安全.通过建立刚体六自由度运动方程和N-S方程的松耦合求解技术,研究强迫俯仰振荡过程对滚转特性的影响.针对背风区涡流形态及横侧向气动特性复杂的方形截面飞行器,数值模拟研究了其不同攻角下的静态滚转气动特性、自由滚转运动特性,以及俯仰振荡时不同振荡速率对滚转气动和运动特性的影响.结果表明,此飞行器在静态时临界攻角约为13°,当攻角小于临界攻角时,滚转方向是静不稳定的,诱发快速滚转运动;当攻角大于临界攻角时,滚转方向是静稳定,其滚转运动是收敛的.研究发现,俯仰振荡一般会降低飞行器滚转方向静稳定或静不稳定的量值,增强滚转方向的动态稳定性.在俯仰振荡的影响下,即使滚转方向是静不稳定的,如果俯仰振荡的频率足够大,飞行器的滚转运动也可能是收敛的.     

两串列扑翼的相位差对平均推力影响机理的实验研究

在一个低雷诺数的循环水洞中,实验研究了前后翅翼之间的相位差对两串列扑翼平均推力的影响.利用一个三分量的Kistler 压力传感器来测量扑翼的瞬时力;利用一个数字粒子测速仪系统(TSI DPIV) 来测量扑翼的前缘涡以及其周围的流场. 当相位差从0° 增加到360°,前翅的平均推力随着相位差正弦变化;前翅平均推力的增加是由于后翅的前缘涡和滞止区域增加了前翅的有效攻角. 后翅平均推力曲线有一个明显的V 字形低谷.低谷处较小的平均推力是由于前翅的脱落涡抑制了后翅前缘涡的形成并且减小了其有效攻角.当间距为0.5倍弦长相位差约为290°时,前后翅翼平均推力系数的合值能达到最大值0.667,明显大于两倍的单翼平均推力系数(2×0.255).      

褶皱幅度对仿生翼型滑翔气动特性的影响

蜻蜓翅膀具有独特的褶皱状形貌．研究者们致力于利用仿生学原理,设计在低雷诺数条件下具有更优气动性能的褶皱翼型．本文采用计算流体力学方法,求解二维不可压Navier-Stokes方程组,探讨了四种翼型（平板翼型、流线翼型、小幅度褶皱翼型和大幅度褶皱翼型）的气动表现．在低雷诺数条件下得到以下结果：(1) 较小幅度的褶皱结构有利于增加升力和减小阻力．(2) 雷诺数变化时褶皱翼型的升力系数呈非线性变化;在特定雷诺数区间,幅度相近的褶皱翼型会发生相对气动优势的转变．(3) 褶皱结构内的回流区通过减小粘性阻力,使得翼型总阻力下降．(4) 翼型前缘的极小区域会产生脉冲高升力,对升力表现产生较大影响．这些结果表明,调整褶皱幅度是实现褶皱翼型气动优化的有效方案．     

柔性扑翼的气动特性研究

以往扑翼的气动力计算研究都很少考虑扑翼的柔性,而在鸟的扑翼动作中,在外加气动力和鸟自身的扑动力作用下,扑翼的柔性变形相当大。本文在原有匀速刚性模型的基础上,提出考虑了扑翼扑动速率变化和形状变化的扑翼分析模型,使之更接近鸟翼柔性扑动真实情况。通过计算分析气动特性发现,控制适当的话,柔性变形能大大改善扑翼的气动性能。本文通过模拟鸟扑翼的柔性运动,计算了时柔性扑翼气动力以及平均升力系数和平均推力系数随着扑动角、倾斜角等参数变化的情况,从而从气动的角度解释了为什么鸟在不同的飞行阶段扑翼规律各不相同,并为柔性扑翼飞行器的设计提供了理论依据。     

无轴承旋翼柔性梁载荷特性研究

应用Hamilton原理建立了双路传力的无轴承旋翼运动方程。采用均匀入流模型,基于直升机飞行平衡条件,建立了无轴承旋翼柔性梁载荷的计算模型,并通过算例验证了模型的精度。利用该模型,研究了全机重心位置、机身气动阻力以及平尾安装角对柔性梁载荷特性的影响,给出了各因素对柔性梁载荷的影响趋势,得出了降低柔性梁载荷的方法。数值结果表明:2cm左右重心位置的变化能够引起9%~11%的柔性梁载荷变化量,15%气动阻力的增加会导致约9%的柔性梁载荷的增大;2°平尾安装角的变化引起约10%柔性梁载荷的变化量,3°平尾安装角的变化引起约26%柔性梁载荷的变化。     

快速成型弹性风洞模型高速气动特性研究

利用光固化快速成型技术加工了内部金属骨架、外部光敏树脂外形的弹性轻质AGARD-B模型.采用气动与结构并发分析方法对其跨声速气动特性进行了初步研究,完成了风洞验证实验.研究结果表明:在马赫数0.6和1.2、较小攻角(α≤4°)的条件下,弹性轻质模型气动力特性与金属模型基本吻合;较大攻角(α>4°)条件下,因弹性轻质模型刚度比全金属模型小,试验过程中受气动载荷作用,特别是升力的影响,结构机翼变形较大,导致气动力特性与全金属模型差异较大,故气动力系数需要进行弹性变形修正.初步实验结果指出:在跨声速范围内,弹性轻质模型可直接用于气动布局选型设计与研究、基本状态等研究;但同时弹性轻质模型刚度不足,易变形.     

火星探测器进入飞行气动测量方法研究

在火星探测任务的进入飞行过程中,开展气动测量将获取大量宝贵的气动特性数据,一方面可以验证进入探测器气动外形,掌握其准确的气动特性,另一方面,可以积累详实的火星大气数据,为后续任务提高落点精度等飞行性能提供支持. 本文针对火星探测器进入飞行任务,基于弹道重建和嵌入式大气数据传感系统(flushair data system, FADS),提出火星探测器进入飞行过程中的气动测量方法. 通过融合火星进入外测弹道信息,利用输出误差法实现攻角、侧滑角的高精度测量;基于嵌入式大气数据传感系统,利用最小二乘最优估计算法,建立了进入飞行动压的测量方法. 仿真分析表明,气动测量方案精度高,进入动压测量精度优于1%,攻角和侧滑角测量精度相较于当前火星探测器进入气动测量而言,至少提升1 个量级. 研究结果将为火星探测等深空探测任务的进入飞行气动测量提供技术参考.      

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°～8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°～8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.     

基于RBF插值技术的CFD/CSD非线性耦合分析方法研究

基于非结构混合网格的N-S方程求解器和结构柔度影响系数法,发展了一种考虑气动、结构非线性的基于RBF插值技术CFD/CSD耦合分析方法,适用于解决现代大展弦比飞机的非线性静气动弹性问题。该方法采用时间相关法(即求解非定常方程组,用长时间的渐近解趋于定常状态)求解静气弹分析时的定常流动。考虑大展弦比飞机结构变形问题为大变形小应力问题,在利用柔度系数法求解结构方程时,假设每次求解结构方程时应力与应变为线性关系,整体静气弹分析过程为非线性关系,因此每次求解结构方程时要更新柔度影响系数矩阵。在非定常N-S方程每求解一个时间步耦合一次结构有限元分析,由于结构有限元分析的时间相对于气动分析时间是很短的,所以这种方法实际上近似使用了一次求解非定常气动力的时间完成了整个静气动弹性分析的过程。对于气动网格与结构有限元网格不一致性,本文采用径向基函数(RBF)插值方法中的TPS方法进行结构弹性变形和气动载荷插值,采用虚功原理完成气动载荷数据交换。为了节省气弹分析时间,采用动网格方法对气动网格进行更新,本文基于RBF插值方法发展一种适用于混合网格(四面体、三棱柱、金字塔和六面体)变形的动网格方法,可以保证附面层网格的质量与分布从而准确模拟其流动。利用该方法对M6机翼、DLR-F6翼身组合体和某大型客机机翼进行了静气动弹性特性分析,结果验证了本文开发的非线性CFD/CSD耦合分析方法的可行性、精确性和高效性。     

昆虫翅膀结构及其力学特性研究进展

昆虫普遍具有高超的飞行技巧,其翅膀是与飞行能力相适应的精巧结构．本文对近年来关于昆虫翅膀结构特征及其力学特性的研究内容进行综述．研究进展主要包括两个阶段：第一,重点关注昆虫翅膀轻薄而坚韧的整体结构,通过简单模型分析几何形状、三维构型、脉络分布等因素的影响;第二,聚焦翅膀上复杂而多样的微观结构,包括翅结、柔性关节和血淋巴流动等特征,研究它们在翅膀运动和变形中发挥的主动控制及被动效应．最后对未来可能的研究方向予以展望．     

基于RBF插值技术的CFD/CSD非线性耦合分析方法研究

基于非结构混合网格的N-S方程求解器和结构柔度影响系数法,发展了一种考虑气动、结构非线性的基于RBF插值技术CFD/CSD耦合分析方法,适用于解决现代大展弦比飞机的非线性静气动弹性问题。该方法采用时间相关法（即求解非定常方程组,用长时间的渐近解趋于定常状态）求解静气弹分析时的定常流动。考虑大展弦比飞机结构变形问题为大变形小应力问题,在利用柔度系数法求解结构方程时,假设每次求解结构方程时应力与应变为线性关系,整体静气弹分析过程为非线性关系,因此每次求解结构方程时要更新柔度影响系数矩阵。在非定常N-S方程每求解一个时间步耦合一次结构有限元分析,由于结构有限元分析的时间相对于气动分析时间是很短的,所以这种方法实际上近似使用了一次求解非定常气动力的时间完成了整个静气动弹性分析的过程。对于气动网格与结构有限元网格不一致性,本文采用径向基函数（RBF）插值方法中的TPS方法进行结构弹性变形和气动载荷插值,采用虚功原理完成气动载荷数据交换。为了节省气弹分析时间,采用动网格方法对气动网格进行更新,本文基于RBF插值方法发展一种适用于混合网格（四面体、三棱柱、金字塔和六面体）变形的动网格方法,可以保证附面层网格的质量与分布从而准确模拟其流动。利用该方法对M6机翼、DLR-F6翼身组合体和某大型客机机翼进行了静气动弹性特性分析,结果验证了本文开发的非线性CFD/CSD耦合分析方法的可行性、精确性和高效性。     

基于动网格技术的柔性后缘自适应机翼气动特性分析

研究了带柔性后缘的可变弯度自适应机翼在自适应变弯度过程中的气动特性.自适应变弯度过程中的气动力计算采用了基于弹簧理论的非结构动网格技术,求解NS方程时采用有限体积的二阶迎风格式离散,时间推进为隐格式双时间推进方法.通过计算柔性后缘机翼的升力特性、阻力特性及升阻比特性,并与带刚性后缘机翼的气动特性进行比较,发现柔性后缘机翼在后缘偏转时,其最大升阻比对应的迎角随着偏转角增大而降低.在中等迎角及接近失速迎角情况下,柔性后缘机翼升力系数明显优于刚性后缘机翼,并且其升力线变化较为平缓,有效迎角范围更大.