昆虫柔性翅的升力产生机理研究

作     者：尹振 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宿晓辉

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 

主      题：柔性刚性 升力产生机理 昆虫悬停飞行 数值模拟 

摘      要：本文工作在课题组刚性翅的研究基础上,采用一种二维有限体积任意拉格朗日欧拉方法(ALE)流体求解器,针对昆虫柔性翅在悬停飞行情况下进行数值模拟。本文通过给定悬停飞行过程中翼型变形时参数,包括变形幅度以及攻角等。分析了不同翼形,变形方式和变形幅度对昆虫悬停飞行时气动力特性的影响。针对前缘涡(LEV)和尾缘涡(TEV)的产生和发展过程,探索柔性翅情况下的升力机理与刚性翅情况下的升力机理的不同。同时,本文还研究了不同变形模型下的升力系数(Cl),阻力系数(Cd),品质因数(M)和在悬停飞行状态下的能耗。对于全变形翼形模型,研究结果表明,当变形幅值为0.1倍弦长时,从能耗角度来说是一个最优方案;对于部分变形模型,研究结果表明,随着变形幅度的增大,升力系数以及阻力系数都随之减小,这说明在这种变形对于升力的产生是不利的,尾部攻角的改变对涡量以及流体的传输有着非常大的影响;对于铰接变形模型,研究结果表明,尾缘攻角对前缘涡和尾缘涡的产生和发展有着非常重要的作用,尾缘的倾斜影响着前缘涡和尾缘涡的强度和整个涡脱落的过程,仅仅由于尾缘的变化,升力可以达到33.5%的提升。另外,本文研究了翼形形状对昆虫柔性翅气动力特性的影响。使用全变形翼形模型,采用了多种对称以及非对称翼形,通过计算其升力系数,阻力系数和质量因数,分析流场的变化,阐述翼形形状对升力产生机理以及能耗的影响。结果表明,合适对称翼型相比椭圆翼型对昆虫柔性翅气动力特性具有一定优化作用,但是在升力产生机理上同椭圆翼型无差别,非对称翼型的升力产生机理与对称翼型的不同主要在于上下半程的非对称性。