三维复翅扑动的气动特性数值研究

摘要

微型扑翼飞行器通过模仿鸟类或昆虫的翼翅拍动进行飞行，相对于固定翼和旋翼微型飞行器，具有隐蔽性更强、能耗更低的优点。扑翼的气动特性是扑翼飞行器稳定飞行及飞行控制的关键，相比一些单翅布局的鸟类和昆虫，蜻蜓的前后两对翅的复翅布局具有更好的平稳性和操控性，且蜻蜓的复翅扑动主要通过扑动频率、相位等扑动参数和复翅间距离等几何参数的共同耦合作用来实现不同的飞行姿态。因此，分析各种扑动及几何参数对扑翼气动特性的影响有着极为重要的意义。
　　针对复翅扑动气动特性研究中存在的不足，本文采用计算流体力学方法，对仿蜻蜓扑动的三维流动进行计算，研究不同扑动及几何参数耦合作用下，扑动的三维流动特性及扑翼的气动特性。首先，建立三维单翅和复翅蜻蜓前飞和悬停过程计算模型，根据蜻蜓实际扑动规律编写翅翼运动程序。其次，分析不同扑动频率对单翅气动力的影响，结果表明相比于悬停过程，扑动频率对前飞过程的影响更显著。最后，针对复翅在前飞和悬停过程，分析了扑动频率、前后翅扑动相位差、前后翅间距多种参数组合下扑翼的瞬时、平均气动力和翼表面压力、相应流场结构变化特征，并分析了参数改变时翼翅间的干扰特性，结果表明复翅同相扑动获得的举力大于反相扑动，在前飞过程扑动频率是提高举力和推力的直接、有效方式，复翅间存在的气动干扰对后翅的影响程度大于前翅。
　　本文的研究揭示了不同飞行姿态下扑动复翅在多个参数耦合变化时气动特性的变化规律、以及相应的流动耦合和气动干扰机制，相关成果能够为复翅布局的仿生扑翼飞行器设计提供重要理论依据。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的意义

1.2 蜻蜓翅翼的气动特性研究现状及分析

1.3 课题主要研究内容

第2章 仿生扑翼流场数值模拟

2.1 引言

2.2 三维蜻蜓翅翼的计算模型

2.3 气动特征参数

2.4 网格划分和计算方法验证

2.5 本章小结

第3章 三维单翅气动特性分析

3.1 引言

3.2 计算模型

3.3 计算结果分析

3.4 翅翼压力和涡量分析

3.5 本章小结

第4章 三维复翅悬停气动特性分析

4.1 引言

4.2 计算模型

4.3 间距的影响

4.4 扑动频率的影响

4.5 翅翼压力和涡量分析

4.6 复翅间气动干扰分析

4.7 本章小结

第5章 三维复翅前飞气动特性分析

5.1 引言

5.2 计算模型

5.3 间距的影响

5.4 扑动频率的影响

5.5 翅翼压力和涡量分析

5.6 复翅之间气动干扰分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢