昆虫飞行参数测量实验研究进展

在昆虫飞行的实验研究中,可采用活体实验、模型实验和活体模型结合三种方法。活体实验可以客观反映自然界中昆虫的飞行规律,获得真实的实验数据,但可重复性差。模型实验作为机械装置可以重复进行试验,详细描述流场结构并定量各种参数大小,但与真实飞行存在一定差距。单独使用这两种中的任一方法均可对一些现象给出了解释。二者相结合的方法更易于准确描述昆虫的运动特征,通过对比模型与活体的结果来提出机理,尽管需要的实验周期较长,但结论往往更接近真实状态,基于该方法科学家们已提出了几种飞行机理。本文结合近几年文献报道,综述了昆虫飞行参数测量方法,并对以上几种方法在研究昆虫飞行机理中的作用进行了对比分析,认为模型和活体结合的研究方法更容易为一些飞行现象提出合理解释。     

双反射技术对自由射流三维速度场的测量及显示

应用摄影测量和图像处理技术对自由射流的三维速度场进行了ＰＩＶ测量。构造了一种全新的双反射测量技术，使得二维测量中的多点同步和空间定位得到解决和提高。在精确计算了水与空气的折射关系之后，两幅像片间的同名点寻找更加可靠。重建和再现了ＰＩＶ中射流的连续三维瞬态粒子分布场和速度矢量场。     

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.     

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.      

虚拟边界法研究正交双圆柱及串列双圆球绕流

把Goldstein等人提出的虚拟边界法推广到三维情况,研究了 Re=150时不同间距下正交双圆柱绕流,和Re=250时不同间距下串列双 圆球绕流流场. 对于正交双圆柱绕流,当间距比大于3,下游圆柱对上游圆柱尾流的影响只 限定在下游圆柱的尾流所扫过的范围之内;当间距比小于等于3,下游圆柱对上游圆柱尾流 的影响扩大,下游圆柱尾流扫过区上下出现两排三维流向二次涡结构. 对于串列圆球绕流, 研究发现,在小间距比(L/D≈ 1.5)的情况下,由于上下游圆球尾流区的相互抑 制消除了压力不稳定性,整个流场呈现稳 态轴对称特征;间距比为2.0时,周向压力梯度诱发出流体的周向输运,流场呈现稳态非对 称性,但流场中存在特定的对称面;间距比增大到2.5后,绕流场开始周期振荡,原有的对 称面依旧存在;在间距比3.5时下游圆球下表面的涡结构强度有所减弱,导致占优频率发生 交替;间距比增至7.0时,整个流场恢复稳态特征,两圆球尾部同时出现双线涡,这时流场 对称面的位置发生了变动.     

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.      

基于分布式合成双射流的飞行器无舵面三轴姿态控制飞行试验

将自主可控的合成双射流激励器集成于常规布局飞行器中, 进行了三轴无舵面控制飞行试验, 验证了分布式合成双射流对飞行器巡航时的无舵面姿态调控能力. 对合成双射流激励器进行改进, 设计了分布式三轴姿态控制合成双射流激励器, 滚转环量控制激励器分别安装于两侧机翼翼尖处后缘, 射流出口靠近压力面; 偏航反向合成双射流控制激励器分别安装于靠近两侧机翼翼尖20%弦长处, 上、下沿展向均匀布置; 俯仰环量控制激励器安装于V尾下的平尾后缘, 射流出口靠近压力面. 针对巡航速度为30 m/s的飞行器, 进行了三轴姿态控制飞行试验, 结果表明: 分布式合成双射流实现了飞行器巡航时的三轴无舵面姿态操控; 横航向控制存在耦合, 滚转环量控制激励器实现了飞行器的双向滚转操控, 能产生的最大滚转角速度达16.87°/s, 偏航反向合成双射流控制激励器实现了飞行器的双向偏航操控, 能产生的最大偏航角速度达9.09°/s; 俯仰环量控制激励器实现了飞行器的纵向控制, 能产生的最大俯仰角速度达7.68°/s.      

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.     

扫描电镜下断口表面的三维重建及分形维数的测量

基于数字散斑相关方法,利用扫描电镜立体对技术和计算机视觉方法实现了物体表面的三维重建,讨论了影响其精度的原因,并且利用分形理论对表面的三维形貌进行了定量分析,由立方体覆盖法得到了三维形貌的分形维数.作为应用的实例,将该方法应用到岩石断口的三维重建中,得到了重建后的高度云图和分形维数.结果表明,利用扫描电镜立体对技术对断口表面进行三维重构并进行分形维数的计算是一种行之有效的断口定量分析方法.这为研究材料断裂的微观机理、断裂过程和断裂性质等问题提供了一种途径.     

非稳态不可压缩自由表面粘性流体的三维数值计算

扩展了相对体积算法，计算了变速旋转的敞口圆筒内水的真实非稳态流动。采用了原始变量、交错非等分网格和显式迭代。计算结果与实验现象相吻合。当圆筒长时间等速旋转，其内流体与筒体一起作刚性旋转时，计算自由表面形状与流体力学理论公式的预言吻合得很好。     

板料三维成形过程的有限元数值模拟

基于有限变形理论建立了三维金属板料成形过程的刚塑性有限元数学模拟,该数学模型采用物质坐标系中的Ｕｐｄａｔｅ－Ｌａｇｒａｎｇｅ描述,等向强化假设,考虑了板料的厚向异性,对于金属板料与模具有摩擦采用近似的库仑摩擦定律以改善计算的收敛性。为简经计算采用薄膜单元,并根据此模型编制程序。     

Characteristics ALE Method for the Unsteady 3D Navier-Stokes Equations with a Free Surface

Because of its great adaptability, the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) method is often used to solve the Navier-Stokes equations with a free surface. The kinematic condition relating the normal velocity to the mesh velocity suggests a simple way to move the domain, but it leads to unstable schemes in many cases. A method to take into account the non-linearity of the free surface is presented in this paper and integrated into a Finite Method with Galerkin characteristics. A variational form of the surface tension is used to overcome the difficulty of estimating the main curvature of the surface grid. A stability estimate is then established on the global scheme, under regularity conditions on the grid.     

3D Heterogeneous Stiffness Reconstruction Using MRI and the Virtual Fields Method

The first extension of the virtual fields method to the reconstruction of heterogeneous stiffness properties from 3D bulk full-field displacement data is presented in this paper. Data are provided by Magnetic Resonance Imaging (MRI). Two main issues are addressed: 1. the identification of the stiffness ratio between two different media in a heterogeneous solid; 2. the reconstruction of stiffness heterogeneities buried in a heterogeneous solid. The approach is based on a finite element discretization of the equilibrium equations. It is tested on experimental full-field data obtained on a phantom with the stimulated echo MRI technique. The phantom is made of a stiff spherical inclusion buried within a lower modulus material. Preliminary independent tests showed that the material of the inclusion was four times stiffer than the surrounding material. This ratio value is correctly identified by our approach directly on the phantom with the MRI data. Moreover, the modulus distribution is promisingly reconstructed across the whole investigated volume. However, the resulting modulus distribution is highly variable. This is explained by the fact that the approach relies on a second order differentiation of the data, which tends to amplify noise. Noise is significantly reduced by using appropriate filtering algorithms.     

A Parallel 3D Unsteady Flow Analysis in an Asymmetrically Constricted Vessel

In this study, parallel computation of unsteady incompressible flow in an asymmetrically constricted 3D vessel has been presented. A time accurate cell centered finite volume method (FVM) in conjunction with pseudo-compressibility technique and Roe's flux difference splitting of nonlinear terms has been employed for solving the Navier-Stokes (NS) equations on the multiple instruction multiple data (MIMD) machine VPP700. The influence of Reynolds' number ( Re ) and the Strouhal number ( St ) on flow dynamic factors like wall pressure (WP), wall shear stress (WSS), central axis velocity (CAV), etc., have been analyzed. Three-dimensional (3D) features in the formation and detachment of separation zones, which are sensitive to both Re and St have been noticed on the diverging wall of the constriction.     

三维非稳定渗流自由面边界积分项的精确数值计算

利用固定网格法分析三维非稳定渗流问题时,将要面对两项积分难题:以自由面及单元表面为边界的空间积分及以自由面为边界的曲面积分。针对常用的任意8结点6平面三维普通单元,提出采用坐标变换及等参变换技术求取空间积分项的精确数值解;至于曲面积分项,建议改用单元非饱和区部分表面作为积分边界,经过坐标变换及等参变换处理积分边界后,利用高斯数值积分可求出曲面积分项的精确数值解。通过一个普通单元及一项均质半无限边界堤坝的实例分析,表明此方法的精确性和稳定性良好。     

三维VOF方法—PLIC3D算法研究

本文研究的目的在于，使用分段线性PLIC(Piecewise Linear Interface Construction)方式构造界面，推导三维空间中的VOF(Volume of F1uid)算法PLIC3D，给出详尽的计算公式和过程。然后，用球形流体匀速运动作为分析PLIC3D算法的数值算例，比较了PLIC3D和分段常数PCIC(Piecewise Constant Interface Construction)构造法中DA3D(Donor—Acceptor in 3—Dimension)在三维空间计算界面的差别。结果显示PLIC3D优于DA3D，它能够更好地保持流体在平移运动中的形状，证实了PLIC方式的空间构造精度高于PCIC的结论。最后，利用PLIC3D计算自由面，模拟容器中流体泄漏问题，得到了其液面形状变化和速度场。     

Effect of 2D Image Resolution on 3D Stochastic Reconstruction and Developing Petrophysical Trend

Multi-resolution digital rock physics (DRP) makes it possible to up-scale petrophysical properties from micron size to core sample size using two-dimensional (2D) thin section images. Resolution of 3D images and sample size are challenging problems in DRP where high-resolution images are acquired from small samples using inefficient and expensive micro-CT facilities. Three-dimensional stochastic reconstruction is an alternative approach to overcome these challenges. In this paper, we use multi-resolution images and investigate effect of 2D image resolution on 3D stochastic reconstruction and development of petrophysical trends for our two sandstone and carbonate original representative volume elements (RVEs). The proposed method includes three steps. In the first step, the spatial resolution of our original RVEs is decreased synthetically. In the second step, stochastic RVEs are realized for each resolution using two perpendicular images, correlation functions, and phase recovery algorithm. In the reconstruction method, a full set of two-point correlation functions (TPCFs) is extracted from two perpendicular 2D images. Then TPCF vectors are decomposed and averaged to realize 3D stochastic RVEs. In the third step, petrophysical properties like relative and absolute permeability as well as porosity and formation factor are computed. The output is used to develop trends for petrophysical properties in different resolutions. Experimental results illustrate that the proposed method can be used to predict petrophysical properties and reconstruct 3D RVEs for resolutions unavailable in the acquired 2D or 3D data.