关于扑翼飞行器升力机制的实验研究

摘要

扑翼飞行器在构造上是模拟自然界鸟类或昆虫类扑翼飞行的机构,如同鸟类或昆虫类利用拍翅同时产生升力与推力。综合国内外目前的研究成果可知,低雷诺数条件下扑翼升力机理研究具有很重要的意义。所以,本文将对低雷诺数条件下扑翼飞行机理及其脱落涡进行探究,以对未来仿生扑翼的设计方面作出一些贡献。
　　 本文根据平面连杆机构原理,结合实验条件设计制作了扑翼驱动机构,为仿生扑翼器升力机制的基础性研究做好前期准备工作。本文实验主要包括定性的色流实验及PIV定量测量实验部分。
　　 色流实验主要定性研究来流与攻角对扑翼脱体涡发展的影响。实验发现,翼翅只有在来流与攻角缺一不可的情况下才可以产生升力。这是因为在下扑的过程中,绝对瞬时速度比实际的瞬时速度要大,而在上扑的绝对瞬时速度在下扑过程比实际的瞬时速度要小,导致了上翼面与上翼面所形成的脱落涡能量不一样,单侧翼翅周围封闭流场环量守恒,所以多出来的能量便产生了升力。
　　 在固定切面下,通过利用粒子成像测速PIV技术研究扑翼脱落涡的速度场与旋度场的发展演化情况。研究结果表明,挥拍速度和扑翼攻角对脱体涡能量均有影响,且扑翼攻角对升力改变的影响较大些。实验还对脱落涡涡心能量与脱落涡环量的数据统计值做了拟合曲线分析,发现下扑与上扑过程所形成的脱落涡涡心能量随时间发展的变化趋势一样,并且在挥拍极点位置处达到最大值;还发现下扑与上扑过程所形成的脱落涡环量随时间发展的变化趋势不一样。上扑脱落涡环量不一定小于下扑的环量,但上扑和下扑过程中脱落涡能量的最大值基本需要经历3/5T相同的时间。PIV实验还包括以扑动速度与攻角为变量,通过脱落涡环量的数据统计,观察脱落涡环量随扑动速度与攻角的变化趋势与规律。