蝙蝠平飞时其模型翼主动大变形气动响应及被动变形效应研究

摘要

蝙蝠是唯一一种能够自主飞行的哺乳动物，其翼膜连接了前肢、身体甚至后肢。前肢具有多骨骼、多关节构造，使得在挥拍飞行中的蝙蝠翼发生复杂的可控大变形。翼膜薄且柔软，在挥拍时还会发生被动变形。特别是中小型蝙蝠，在中低速飞行时，翼的变形量大、复杂度高。由此本文提出了这样的科学问题:蝙蝠翼的变形该如何描述？这些变形如何影响蝙蝠飞行中的气动力，其影响机理是什么？蝙蝠在不同飞行条件下如何控制翼变形来获取所需的气动力？被动变形又如何？这些问题都有待一一解答。因此，本文以中速前飞（U=3～4m/s）的中小型蝙蝠（20g左右）为研究对象，从其拍翼中提取运动学（变形）数据，建立翼的动态变形模型，分别采用非定常面元法和非线性有限元方法研究模型翼的气动响应和翼膜的被动变形。主要工作总结如下:
　　一、基于三维非定常面元法和非线性有限元方法，搭建了流固耦合计算平台。
　　改进了三维非定常面元法程序。作者在实验室已有程序的基础上，增加了前缘脱涡模块，使模型翼前缘满足库塔条件。并成功地处理了前缘涡与侧缘涡、尾涡及物面的相互作用。编写了正交各向异性薄膜材料几何非线性有限元程序，并与上述非定常面元法耦合求解模型翼的被动变形。
　　二、建立蝙蝠翼主动大变形模型，探讨了主动大变形的气动响应及变形调节机制。
　　首先建立了运动学模型。将蝙蝠拍翼分解为刚性拍动和变形两部分，其中变形又包括四类基元变形:展向扭转变形和弯曲变形、弦向弓形变形以及面积变化。其次对这些变形的气动响应做了详细的研究，探讨了它们的作用机理。最后给出了蝙蝠（不同体重下）匀速飞行的变形调节机制和体重不变情况下加速飞行的变形调节机制。得到以下结论:
　　1)扭转变形是产生高推力的主要原因，其变形量越大，推力越大。在组合变形中，当弓形变形和面积变化较小时，二者的变形量增大将小幅减小推力;当弓形变形和面积变化较大时，二者的变形量增大将大幅提高推力。
　　2)相对于刚性挥拍，弓形变形可以大幅提高升力而对阻力影响不大，面积变化也能够较大地提高升力，展向弯曲变形对提高升力也是有益的。在组合变形中，增加扭转变形能降低气动功率，而增加弓形变形/面积变化则增加气动功率。
　　3)涡控制是各种变形提高气动力的主要机制;仰旋/俯旋是扭转变形产生推力的根源;弓形变形通过改变有效攻角，加大了下拍和上挥的非对称性，从而增加升力;增大下拍的面积（提高有利的气动力），减小上挥时的面积（降低不利的气动力），这是面积变化和弯曲变形提高气动力的原因。
　　4)蝙蝠可以根据不同的飞行目的主动调节翼的变形，产生相应的气动力，使得飞行最优。对于匀速飞行，扭转变形越大越有利（气动功率越低）;如果蝙蝠需要加速前飞（捕食或者躲避天敌），应该使扭转变形和面积变化最大，而弓形变形控制在0.1附近。
　　三、初步探讨了挥拍翼膜被动变形及其对气动性能的影响。
　　基于蝙蝠内翼拍动模式，建立给定四边运动规律的矩形薄膜挥拍模型，计算了该模型翼的被动变形及其对气动性能的影响。基于本文的计算方法和模型，得到结论:当模型刚度取为蝙蝠膜实际刚度时，被动变形很小，对气动性能的影响可以忽略;当模型刚度和预应力同时降低到蝙蝠膜实际刚度的1％时，被动变形较大，此时的气动力峰值有显著变化，但平均升力几乎无变化，阻力略微降低，而气动功率有所增加。