仿生扑翼气动力特性的数值研究

摘要

对自然界昆虫飞行气动力特性的研究对于微型飞行器的设计有着重要的意义。昆虫实现飞行所需力的大小,与其自身翼的形状及翼的扑动方式密切相关。本文以蜻蜒翼模型为例,利用流体力学数值方法有限体积法,通过求解Navier-Stokes方程,分析研究了低雷诺数下二维蜻蜓翼模型在运动过程中的气动力特性。结果表明:随翼型厚度的增加,其垂直升力和水平推力的气动力特性均有所下降。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特定的变化。通过改变翼的扑动幅值和扑动频率发现,随着幅值的增加,升力和推力也显著的增加；而随着频率的增加,升力和推力首先是迅速增大,在频率为30-50Hz的范围内产生一个峰值,而后开始慢慢减小.翼扑动平面相对于水平面倾角大小直接影响着昆虫的飞行方式,改变倾角的大小发现,随倾角的增大,垂直升力逐渐减小,而水平推力则稳步增加。在一个扑动周期内,翼的下拍过程主要产生垂直升力,而水平推力的产生主要来源于翼的上挥运动。