三维褶皱蜻蜓翼滑翔时的气动特性分析

【摘要】：仿生扑翼微型飞行器是一种全新的飞行器设计结构,具有体积小、质量轻、隐身性能优异和可操作性强等特点,不仅能够像微型旋翼飞行器一样悬停、侧飞、倒飞、垂直起降,还能够如同微型固定翼飞行器那样进行长距离巡航和快速高飞,不论是在军事领域还是在民用方面都具有强大的生命力和广阔的应用前景。而蜻蜓,因为其优异的飞行本领,作为微型扑翼飞行器最合适的仿生对象一直是科学家们研究的热门课题。随着计算流体力学的不断发展和实验技术设备的不断更新,对蜻蜓翅膀气动特性的研究也不断深入,但是目前对蜻蜓双翅共同滑翔时其前、后翅的气动特性以及蜻蜓双翅之间的相互干扰效应的研究却还不够充分。本文在蜻蜓双翅实际结构特征的基础上,基于逆向工程设计利用三维建模软件CATIA建立了接近真实蜻蜓前翅和蜻蜓后翅的三维褶皱模型,利用计算流体力学方法探究了蜻蜓翅膀在不同情况下滑翔飞行时的气动特性。本文主要研究内容安排如下:为了探究褶皱结构是否能对蜻蜓后翅气动性能产生正面的影响,褶皱结构对蜻蜓后翅气动性能的影响是否与雷诺数相关,本文利用计算流体力学方法分别计算了三维蜻蜓后翅褶皱模型和拥有同样外形的三维后翅平板模型在不同攻角、不同雷诺数下滑翔飞行时的气动力。结果表明,褶皱结构的存在会明显提高蜻蜓后翅的升力,但是同时也会略微增大其阻力,并且褶皱结构对蜻蜓后翅气动性能的影响与雷诺数相关。为了进一步探究蜻蜓双翅在不同情况下共同滑翔飞行时的气动特性,本文利用计算流体力学方法计算了蜻蜓前翅、蜻蜓后翅和蜻蜓双翅分别在不同攻角、不同速度和不同相位下滑翔飞行时的气动力,对比分析不同情况下前翅与后翅的气动特性。结果表明,相较于单独滑翔,蜻蜓双翅共同滑翔飞行时其前翅与后翅的气动效能均在一定程度上有所增强,尤其是在小攻角情况下,前翅气动效能的增强效果更明显;当较小攻角时,蜻蜓双翅共同滑翔时其前翅与后翅的气动性能均随速度的增大明显增大;蜻蜓双翅共同滑翔时其前翅与后翅的气动性能均随着蜻蜓双翅之间距离的增大而逐渐降低。