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.      

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.      

微型飞行器低雷诺数空气动力学

微型飞行器(MAVs)设计绝不是常规飞行器在尺度上的简单缩小,面临许多技术难题.其中微型飞行器低雷诺数空气动力学是其最为根本的技术瓶颈之一,也是当前受到广泛关注的热点之一.本文紧密结合微型飞行器技术,对这一领域中所面临的低雷诺数空气动力学问题和近两年来该方向国内一些新的进展进行了较为详细的介绍.按照MAVs飞行方式和结构特性进行分类,简单介绍微型飞行器研究中的低$Re$数空气动力学问题.首先介绍了二维和三维固定翼低雷诺数空气动力学问题:包括层流分离泡,翼型升力系数小攻角非线性效应,静态迟滞效应,以及低$Re$数小展弦比机翼气动特性.第2,介绍了拍动翼低雷诺数空气动力学方面的研究工作.包括前人提出的昆虫低$Re$数下获得高升力的多种非定常拍动翼飞行机制:Wagner效应、Weis-Fogh效应(clap-and-fling)、延迟失速效应(delayedstall)、Kramer效应(rotational forces)、尾迹捕获效应(wakecapture)、附加质量效应(addedmass)等.以及国内学者近几年在拍动翼方面取得的一些研究成果.第3,介绍了柔性翼低雷诺数气动问题.研究表明柔性翼对于固定翼微型飞行器提高抗阵风能力,拍动翼微型飞行器产生足够的升力和推力.最后简单介绍了可变形翼(morphingwing)微型飞行器方面的一些研究工作,指出微型飞行器技术可以通过采用可变形翼设计,突破众多的技术瓶颈.另一方面,可变形翼概念可以通过在低成本,低速的MAVs上进行飞行试验,获得非常好的验证平台.      

考虑曲率纵向变形效应的大变形柔性梁刚柔耦合动力学建模与仿真

对在平面内做大范围转动的中心刚体柔性梁系统的动力学进行了研究,建立了考虑大变形效应的系统刚柔耦合动力学模型,并进行了动力学仿真.该动力学模型不但考虑了柔性梁横向弯曲变形和纵向变形(包含轴向拉伸变形和横向弯曲变形而引起的纵向缩短项),还考虑了纵向变形对曲率的影响,称为曲率纵向变形效应.在以往的研究中,柔性梁的横向弯曲变形能往往直接使用柔性梁横向弯曲变形来表达,并没有考虑纵向变形的影响.为了考虑柔性梁纵向变形对横向弯曲变形能的影响,在浮动坐标系下使用柔性梁参数方程形式的精确曲率公式来计算柔性梁的弯曲变形能.在此基础上建立了基于浮动坐标系的考虑曲率纵向变形效应的刚耦合动力学模型.论文给出了数值仿真算例,验证了本文所建的动力学模型既能适用于柔性梁的小变形问题,又能适用于大变形问题,且较现有高次刚柔耦合动力学模型更加适用于大变形问题的处理.论文还通过与能处理柔性梁大变形问题的绝对节点坐标法的比较,验证了模型的正确性.