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.     

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．     

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。     

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.     

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。     

AS LIGHT AS A BUTTERFLY,AS THIN AS A BEE-THE MYSTERY OF DRAGONFLIES BASED ON FLUID MECHANICS 1)

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。     

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。     

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.      

中国古代的飞行器械

 记述古代中国人不仅进行了滑翔飞行的尝试，或乘风筝飞行，而且还发明了许多与飞行相关的器 械或器物，如木鸢、竹蜻蜓、风筝、热气球、降落伞等. 还有指南针和万向支架(即陀螺仪 的雏形，古代称其为``被中香炉')的发现，也对早期航空发展起过一定作用.     

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.     

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。     

封面图片说明

抗热震陶瓷表面的纳米肋结构.利用等离子刻蚀技术和酸腐蚀方法,在ZrB2-20%SiCp-5%AIN陶瓷表面制备出仿蜻蜓翼膜表面的超疏水纳米结构.这种结构使在陶瓷的热震过程中其表面能够自动地覆盖一层空气膜,增加了陶瓷表面热阻近万     

封面图片说明——2010,33(1)

 抗热震陶瓷表面的纳米肋结构. 利用等离子刻蚀技术和酸腐蚀方法,在ZrB2-20\% SiCp-5\%AlN陶瓷表面制备出仿蜻蜓翼膜表面的超疏水纳米结构. 这种结构使在陶瓷的热震过程 中其表面能够自动地覆盖一层空气膜,增加了陶瓷表面热阻近万倍,极大地提高了陶瓷的抗热 震性能.     

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。