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蜻蜓翅膀前缘脉微结构气动特性分析及仿生应用

蜻蜓翅膀前缘脉微结构气动特性分析及仿生应用

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作者：沈阳吉林大学

学位级别：硕士

当今社会,能源紧缺成为人类发展面临的重要问题,各国需高效利用空气等可再生能源产生动力。而机翼作为空气动力的重要载体,如何提高其飞行能力是国内外学者一直研讨的核心问题之一。蜻蜓作为一种高水平飞行能力的生物,其特殊的翅膀结构... 详细信息

当今社会,能源紧缺成为人类发展面临的重要问题,各国需高效利用空气等可再生能源产生动力。而机翼作为空气动力的重要载体,如何提高其飞行能力是国内外学者一直研讨的核心问题之一。蜻蜓作为一种高水平飞行能力的生物,其特殊的翅膀结构为仿生学领域探究机翼的气动性能提供了诸多方向。本文对蜻蜓翅膀前缘脉微结构气动特性进行研究,设计了三种前缘微结构,并应用在承接翅翼前缘和螺旋桨叶片前缘,利用仿真结合试验的方法验证了扇形底微结构的增升及长平底微结构的减阻气动性能。利用扫描电镜对蜻蜓翅膀前缘脉微结构进行观测,建立前缘脉与扇形底微结构的模型,改变微结构特征得到长平底与短平底微结构。将三种微结构分别阵列在翅翼前缘,从而得到三组单列前缘微结构翅翼。将前缘脉与微结构组合并连接在翅翼前缘得到双列前缘脉微结构翅翼。设计滑翔飞行翅翼的仿真方案,模拟计算单列翅翼和双列翅翼的升阻力系数。对比两种翅翼的升阻力性能后,选择单列前缘微结构翅翼为研究对象,分析微结构对翅翼气流的影响作用,发现扇形底结构可以加速气流流动,并加强前缘涡的强度,提高了边界层顶流的动能,为上翼面提供更强吸力。长平底结构缓和了迎流攻角,使流向翼面的中低速气流更稳定的贴近壁面流动,降低翅翼后部涡旋的湍流程度,减小翅翼前后的压差阻力。为使微结构适应更广泛的机翼,将最佳气动性能的两种前缘结构进行不同倍数的放大,通过翅翼升阻力确定两种结构的最优放大倍数。选择最优放大前缘结构,建立相应尺寸的螺旋桨叶片模型。把两种结构分别阵列在螺旋桨叶片前缘,借助滑移网格技术进行旋转仿真得到螺旋桨叶片的拉力和反作用力矩数值,发现扇形底前缘结构可以提升螺旋桨的拉力,长平底前缘能降低螺旋桨的反作用力矩。分析螺旋桨叶片旋转流场得知经过前一叶片前缘结构的气流影响后一叶片的来流速度,进而改变叶片上下翼面及前缘的压力情况,改变螺旋桨的气动性能。最后,3D打印了带放大前缘结构的翅翼模型、螺旋桨叶片模型及相应的对照组模型。搭建风洞测试系统和旋转测试系统,在滑翔工况对翅翼的升阻力及定转速下螺旋桨的拉力和反作用力矩进行测量。对比试验测量值和仿真数值,验证仿真的有效性,也进一步明确前缘结构的气动作用。

关键词：蜻蜓前缘微结构仿真模拟气动特性风洞试验

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