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.     

昆虫自由飞行参数的双棱镜虚拟双目测量

通过像机前加一个双棱镜实现单像机的虚拟双目拍摄,根据立体视觉原理可以获取空间点三维信息,该装置被用于测量昆虫自由飞行运动参数。如果双棱镜和像机摆放得当,可以简化立体视觉测量中对应点匹配这一最难步骤。实验获得了蜻蜓直飞过程中的一系列运动参数,将这些参数结合起来考察对于研究昆虫飞行机理非常有意义。特别地,我们对昆虫飞行中翅膀的柔性效应进行了初步讨论。     

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.     

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.     

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。     

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 fluid dynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structural mechanics,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?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.     

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.      

关于飞行和游动的生物力学研究

论述了飞行和游动生物力学的任务和意义,以及重大科学问题和与仿生技术相关的重大需求,并概要地介绍了与生物外部流体力学有关的科学问题、研究现状以及我国现有的研究基础和特色.文中针对如下若干重点科学问题进行了论述,具体包括Gray疑题及鱼类阻力的测定问题、鱼类机动运动的特征和机理、鱼类游动的流-固耦合及整体模化等交叉问题、昆虫运动的非定常流动控制机理和能耗、昆虫翼的柔性变形效应及抗风机制、昆虫和鱼的自由运动的运动学和动力学测量.图0参72      

生物运动仿生力学与智能微型飞行器

概述了微型飞行器研究与发展现状,分析了实用化面临的主要技术关键,重点讨论了低雷诺数空气动力学、高升阻比气动布局、智能控制等问题．已有的经验和理论分析表明：主尺度小于15cm以后,用常规方法已经很难设计出具有良好飞行性能的微型飞行器,而必须采用仿生学方法．对微型飞行器仿生学设计中的一些主要问题,包括高升力、高机动性、抗干扰稳定性以及飞行过程的力能学分析等问题分别进行了讨论。     

封面图片说明

蝴蝶翅膀以其迷人的彩虹色吸引着各界学者的注意,其颜色由色素色和结构色共同组成,而色彩的变化万千则主要在于结构色,因此对其结构的研究倍受人们关注.蝴蝶翅膀表面覆盖着许多呈屋瓦图案分布的鳞片,鳞片上布满了周期性分布的     

基于三路舵机驱动的扑翼飞行模型气动特性研究

扑动而形成非定常气动现象是扑翼飞行过程中产生高升力的主要原因。本文以Ellington实验的鹰蛾翅膀为原形,设计扑翼实验及数值计算模型。通过压差传感器对翅膀模型上翼面固定位置进行测压,分析前缘涡的产生及脱落情况(考虑动压效应)。测量上下翼面固定位置处的压差,揭示扑翼飞行中产生高升力的主要原因。利用烟风洞观察扑翼模型周围流场结构及特殊涡产生变化情况。另外,根据Ellington提供的升力关系式估算了扑翼模型在一个周期内的平均升力。最后,基于三维欧拉方程对扑翼飞行气动特性进行数值模拟,计算结果与实验吻合良好。     

复合材料胶接修理损伤金属结构的研究现状

损伤金属飞机结构的复合材料补片胶接修理技术是一项经济而有效的结构延寿方法．详细 叙述了这种修理技术的优缺点及其技术要点,涉及的内容包括胶粘剂的选择、补片材料和参数设计、 表面处理、无损检测和试验验证等．介绍了国内外对该项先进修理技术的研究现状和在飞机结构上 的实际使用情况．评述了现有的理论分析和试验研究方法及其结果．      

仿生扑翼飞行机器人翅型的研制与实验研究

模仿昆虫和小鸟飞行的扑翼飞行机器人将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统,与固定翼和旋翼完全不同,因此研究只能从生物仿生开始。生物飞行的极端复杂性使得进行完整和精确的扑翼飞行分析非常复杂,因此本文在仿生学进展基础上,通过一些合适的假设和简化,建立了仿生翅运动学和空气动力学模型,并以此为基础研制了多种翅型。研制了气动力测量实验平台,对各种翅型进行了实验研究。实验结果表明,研制的翅型都能产生一定的升力,其中柔性翅具有较好的运动性能和气动性能,并且拍动频率和拍动幅度对升力有较大影响。     

直升机旋翼复合材料结构损伤容限设计中的问题

对直升机旋翼复合材料结构的特点、旋翼结构损伤容限设计特点和要求进行了介绍;根据国内旋翼结构设计的工作经验,总结了旋翼复合材料结构损伤容限设计的主要研究内容;给出了旋翼损伤确定方法、损伤与旋翼动态特性之间的耦合分析、各类损伤量临界值的确定方法等关键技术。结果表明:深入开展直升机旋翼复合材料结构损伤容限分析与设计技术的研究,对提高直升机旋翼的使用寿命、直升机的飞行品质和飞行安全具有极其重要的意义。     

轻于粉蝶瘦于蜂——漫话蜻蜓的流体力学奥秘

从鉴赏描写蜻蜓的古代诗词入手,介绍了蜻蜓这种经过亿万年进化昆虫的神奇流体力学特性。重点介绍了蜻蜓的复眼、蜻蜓翅膀消除振颤、蜻蜓表皮的超疏水与鳞片减阻、蜻蜓幼虫的喷水推进等力学特性及其对工程技术发展的重要启示,同时介绍了蜻蜓机器人的发展现状。