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昆虫翅悬停飞行的ALE方法数值模拟研究

昆虫翅悬停飞行的ALE方法数值模拟研究

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作者：曹耀大连理工大学

学位级别：硕士

随着非定常流理论的不断完善,人们开始认识到非定常效应在扑翼昆虫飞行中起着重要作用。本文发展了一种基于非结构化网格的有限体积ALE模型,用于求解存在动边界的二维非定常粘性流体动力学问题。围绕扑翼昆虫扑翼悬停飞行动作,进行数值... 详细信息

随着非定常流理论的不断完善,人们开始认识到非定常效应在扑翼昆虫飞行中起着重要作用。本文发展了一种基于非结构化网格的有限体积ALE模型,用于求解存在动边界的二维非定常粘性流体动力学问题。围绕扑翼昆虫扑翼悬停飞行动作,进行数值模拟研究,尝试解释昆虫悬停飞行时扑翼升阻力产生的基本原理。本文提出的有限体积ALE求解器采用基于非结构化网格的人工压缩法(ACM),双时间步及隐式迭代算法求解不可压缩N-S控制方程,求解器采用具有较好分辨率的二维非结构化网格。在双时间步的迭代求解过程中,利用五阶龙格-库塔算法迭代计算伪时间步τ对应的数值解,直到得到收敛解时停止迭代,即得到物理时间步上的数值解;采用ALE技术,在保持计算网格的拓扑结构不变前提下,构造基于幂指数函数特征的网格运动函数,控制网格移动,保证运动边界周围网格单元运动保持相对刚性。以二维振荡圆柱扰流做为验证算例,分别与实验结果及已有数值结果进行对比,对本文发展的ALE模型进行验证与评估工作。结果显示,本文ALE模型得到的计算结果与实验结果符合较好,能够准确地模拟低雷诺数振荡圆柱扰流问题。同时,采用ALE模型对Re=210和KC=6的算例进行数值分析,模拟结果显示涡脱落和扩散方向改变的现象,与实验结果吻合;算例Re=200和KC=10的结果显示涡脱落的方向与振动圆柱的水平轴线大致成27°的夹角,与实验结论一致,其原因可能与圆柱表面升阻力变化有关。在上述工作的基础上,对二维扑翼悬停飞行进行数值分析,分析昆虫悬停飞行时扑翼升阻力产生的基本原理。采用ALE模型分析2：1、5：1和10：1椭圆翼型振动时的流态以及受力情况。在Re=100和Ao=3.198的情况下,随着长短轴比值增加,升力减小,阻力减小,变化趋势属于非线性,5：1和10：1的椭圆翼型升阻力系数的变化趋势和大小趋于一致。2：1椭圆翼型的幅值大约是5：1和10：1椭圆扑翼升力系数振幅的两倍,2：1翼型在升力方向上的受力面积最大而引起的。最后,在悬停飞行时,在平动的半周期中前缘涡的不脱落使得扑翼能够得到较高的升力系数,尾涡斜向下甩出,进一步改善升阻力的形式。扑翼飞行的两个动作：平动为悬停飞行提供动力,转动改善了升阻力在运动中所占比例,并且促使前缘涡和尾涡的形成,增大了升力,减小了阻力。之后分析了运动模式和振幅对悬停飞行升阻力的影响,超前模型对升力有提升作用,同时滞后模型使得升力降低;另一方面随着振幅的增加,升力增加,阻力降低,当振幅达到2.229c以上后,升力和阻力随振幅改善的效果降低。

关键词： ALE方法有限体积运动边界振荡圆柱扰流昆虫悬停飞行

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