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.      

昆虫飞行——非常规空气动力学

<正> 许多证据表明,昆虫飞行的机理与飞机及直升机的机理大不相同。zanker&Gotz测出了被系住的果蝇所产生的瞬时力。并发现这些力不能用常规空气动力学理论来解释。这些力也是这些果蝇使用不一般的方法来产生升力的证据。 在飞机稳态飞行时,空气在机翼上方流动比下方快。这时绕机翼周围有一纯环流。正是具有附体环流的机翼在空气中的运动产生了升力。可是,如果机翼从静止开始加速,那么它必须移动比它本身宽度长几倍的距离,才会有环流绕流机翼而产生足够的升力以使飞机达到稳态飞行。这一现象叫做Wagner效应。     

昆虫是怎样飞行的

简述昆虫翅的拍动运动及昆虫飞行的控制方式, 介绍昆虫飞行的空气动力学原理和人们对这些原理的认识过程.     

高升力外形下机翼的位流计算

本文采用第二代低阶面元法给出了一种高升力外形外机翼位流计算方法。     

一种用于研究鹰蛾悬停飞行的扑翼实验装置

研制了一套新型的能够在空气中模拟鹰蛾悬停飞行的扑翼模型实验装置。装置由模型翼面和主体、舵机驱动单元、运动控制与检测、测力天平和采集系统等五部分构成。模型在计算机的控制下按照鹰蛾悬停飞行的活体观测数据完成扑翼运动。与此同时,系统采集得到扑翼的实际运动曲线以及模型所受到的非定常气动力。实验结果表明,模型扑翼运动能很好地复现鹰蛾悬停飞行的动态过程;所测得的气动升力与鹰蛾的悬停条件相一致;由模型实验的升阻力数据所得的挥拍面前倾角也与活体观测结果相吻合。该模拟实验装置运动调节灵活,执行便捷,操控可靠,且能够测量空气中的微小非定常气动力,这为进一步深入研究扑翼运动的机理提供了方便的手段。     

蜻蜒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以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.     

基于CFD的方形截面导弹纵向虚拟飞行模拟

通过将飞行力学模型及操纵控制舵面的控制律同流体力学方程耦合求解, 能够完成基于CFD方法的虚拟飞行模拟. 通过这种方法实现了方形截面导弹的纵向虚拟飞行模拟. 着重介绍了将飞行力学方程及舵偏控制律耦合到CFD解算器中的方法, 以及用于复杂外形的需要随飞行器及舵偏一起运动的多块结构网格更新方法,研究成果未来可用于非线性条件下飞行器稳定性及控制律的检验. 完成了方形截面导弹纵向虚拟飞行模拟,包括纵向俯仰自由度的迎角保持机动和通过舵面的偏转控制飞行器迎角按照预定的变化量减小; 通过两种典型机动动作的模拟,证明发展的耦合计算方法以及所采用的配平算法可以成功地应用于虚拟飞行模拟中.      

飞行器的升力、阻力及升力与环量定理的起源

本文介绍了空气动力学中几个基本概念与定律的起源。其中,升力与阻力分别是空气对物体作用力的两个方向上的分量,它们均是由空气与物体的相对运动而产生的,并与该运动速度的平方成正比。库塔儒可夫斯基升力环量定理给出了翼型升力与翼型绕流之间的关系,开启了20世纪早期各国对翼型性能的研究。同时,鉴于理想流体圆柱绕流无阻力的理论结果与实验观察存在的矛盾开始激发人们对黏性流体运动的研究兴趣,并由此诞生了纳维斯托克斯方程组。而后普朗特提出边界层概念,巧妙解决了局部流动与整体流动的关系问题。针对大展弦比直机翼,普朗特又提出了基于升力线假设的升力线模型,并根据翼型气动数据得到三维机翼的气动性能。     

有关机翼升力理论的其人其事

回顾了19世纪末、20世纪初探索建立机翼升力理论的过程,包括牛顿的正弦平方定律,对马格努斯效应的认识和应用,兰切斯特、库塔、儒柯 夫斯基建立机翼升力环流理论和普朗特建立升力线理论等。本文追溯了历史事实,并阐述了有关其人其事。     

飞行器变后掠过程非定常气动特性形成机理

可变体飞行器变后掠过程中的时变气动力与力矩特性对于飞行安全具有重要意义,是亟待深入研究的基础问题.通过风洞实验对其开展了研究,揭示了可变体飞行器变后掠引起的气动特性动态迟滞现象及滞回环大小与方向的影响因素.基于风洞实验结果和力学中一些重要概念,提出了3种物理效应:流场迟滞效应、附加运动效应、固壁牵连效应,以此定性与定量论证了可变体飞行器变后掠过程中非定常气动特性的形成机理.除了能解释实验现象,这一机理研究亦可用于后续可变体飞行器变后掠过程中的气动特性建模.