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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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昆虫柔性翅的升力产生机理研究

昆虫柔性翅的升力产生机理研究

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作者：尹振大连理工大学

学位级别：硕士

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,... 详细信息

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。

关键词：柔性刚性升力产生机理昆虫悬停飞行数值模拟

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基于DFD的扑翼流场数值模拟研究

基于DFD的扑翼流场数值模拟研究

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作者：刘冠冕南京航空航天大学

学位级别：硕士

本文应用当地DFD（Domain-Free Discretization）方法对复杂扑翼流场进行数值模拟研究。DFD方法中，控制方程的离散形式包括解域内部和外部的点。通过插值或解当地简化流动方程可求得外部相关点的流动变量值，并在此过程中强加物面边界... 详细信息

本文应用当地DFD（Domain-Free Discretization）方法对复杂扑翼流场进行数值模拟研究。DFD方法中，控制方程的离散形式包括解域内部和外部的点。通过插值或解当地简化流动方程可求得外部相关点的流动变量值，并在此过程中强加物面边界条件。动边界流动的模拟可以在固定网格上实现，无需在每个时间步上对网格实时更新以适应物体的平动和变形运动。空间离散采用Galerkin有限体积法，时间推进采用双时间步格式。本文的数值实验和应用研究包括四部分：（1）通过对不可压流中由球旋转所诱导的流场的数值模拟，验证当地DFD方法的可靠性;（2）数值模拟双翅模型的扑翼流场，将计算结果对比实验值及其他计算结果，进一步验证当地DFD方法模拟复杂动边界问题的可靠性，分析升阻力周期性变化所体现的高升力机制和扑动模式对气动力的影响;（3）数值模拟完整昆虫模型的扑翼流场，深入分析涡系结构和飞行机理;（4）数值模拟微型柔性扑翼飞行器的流场，探索来流参数对气动特性的影响，分析不同前进比下的流场特征。本文对扑翼流场的数值模拟充分体现了当地DFD方法在处理复杂运动边界问题上具有天然的优势，对昆虫空气动力学研究和微型扑翼飞行器的设计都有一定意义。

关键词： DFD方法边界非协调方法非定常流动运动边界扑翼流场昆虫悬停飞行微型扑翼飞行器

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