昆虫对称拍翼粘性绕流的数值研究

【摘要】： 本文基于格子玻尔兹曼方法和分块加密规则网格技术,在二维直角坐标网格下采用处理运动曲线边界条件的边界插值格式,数值模拟了两个椭圆翼型对称平动和旋转振荡的粘性绕流问题。基于计算结果,分析了两侧翅膀的相互作用对昆虫悬停飞行的非定常空气动力特性和流场结构的影响。 通过数值模拟悬停状态下对称拍翼运动的粘性绕流问题,考察了拍翼幅值、平动中期攻角对气动力特性的影响。研究发现,当合拢后的两翼分离时,Weis-Fogh机制产生的前缘涡是两翼相互作用提高升力的主要原因,翼型平动过程中不失速机制的存在是产生高升力的必要条件。当翼型平动距离较长时,两翼间的相互作用不利于不失速机制,导致升力系数的下降。两翼相互作用对气动力的影响不仅存在于两翼分离和向外运动的过程,而是存在于整个运动周期,从而对昆虫飞行的三种基本高升力机制产生了不同程度的影响。平动中期攻角与时均升力系数和时均功耗系数有着密切关系;通过调整平动中期攻角,可以使时均升力系数与时均功耗系数的比值达到最大。对称拍翼流场的对称性和气动力曲线的周期性与控制参数有着密切关系,较小的拍翼幅度和攻角有助于得到稳定的气动力特性。 通过数值模拟带有下壁面的对称拍翼运动,发现地面效应可以大幅度提高拍翼的升力系数以及时均升力系数与时均功耗系数的比值,有效地改善气动特性。较大的拍翼幅值,有利于增强地面效应。在不同的飞行高度下,地面效应有着不同的机制。当高度较小时,翼型后缘涡受地面影响发生了明显的变形;而在高度较大时,地面效应主要来源于悬停飞行产生的向下射流与地面的相互作用。