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来流及翼扑动方式对微型扑翼飞行器气动参数影响的初探

殷海洋  
【摘要】: 微型扑翼飞行器轻便灵活,可有效用于搜救、监控、情报收集和战场通讯,各国在该领域的研究异常活跃,竞争激烈。目前绝大多数的研究成果集中于昆虫获得高升力的原理,对另一关键问题——微型扑翼飞行器在自然气流环境中的抗干扰稳定飞行问题研究不足。 本文利用商用软件FLUENT,通过求解Navier-Stokes方程,分别计算了不同来流条件、翼轴线和身体轴线之间呈不同角度扑动时,三维仿生昆虫模型翼扑动过程中产生的的升力、阻力、矩等气动力参数。研究发现,低雷诺数条件下昆虫翼的非定常扑动给翼周围空气带来的非定常流动使得翼所获得的气动力产生变化。具体研究内容和结论如下。 来流速度的方向相同、大小不同时,对模型翼扑动过程中产生的的升力、阻力和矩等气动力参数进行了分析计算,计算结果表明:来流速度增加,会使得昆虫等扑翼飞行动物所受升力、阻力发生变化。当来流速度达到一定大的数值时,扑翼飞行动物所受到升力下降,阻力增大。并且,来流速度加大会造成使扑翼飞行物身体翻滚的矩的增大。昆虫可以通过改变飞行速度和身体前端的迎角来改变扑翼所产生的升阻力和使身体旋转的矩,从而能够在不同来流速度时稳定飞行,降低能耗。 来流速度的大小相同、方向不同时,对模型翼扑动过程中产生的的升力、阻力和矩等气动力参数进行了分析计算,计算结果表明:昆虫飞行方向与风速方向相同时,两者的夹角越小,对飞行越有利;随着二者间夹角的加大,扑翼飞行动物升力和阻力增大,并且外力系简化到昆虫身体重心的主矩也加大,即昆虫发生旋转的趋势加大。 来流速度大小和方向都相同时,翼轴线和身体轴线之间呈不同角度扑动时,计算了模型翼扑动过程中产生的的升力、阻力和矩等气动力参数,计算分析结果表明:昆虫飞行时在保证一定升力的情况下,翼顺着来流方向向身体偏转的角度越大,身体所受到的升力和阻力的比值越大,身体重心受到的矩越小,越有利于飞行和降低能耗。 上述结论对今后微型飞行器的设计有着很好的参照作用。


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