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褶皱位置分布对蜻蜓翼型气动性能影响的数值研究

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褶皱位置分布对蜻蜓翼型气动性能影响的数值研究

作者：周帅至烟台大学

学位级别：硕士

微型飞行器在军事和民用领域具有广泛的应用前景,随着小型化发展的要求,微型飞行器面临低雷诺数下的空气动力学问题。低雷诺数环境中,传统光滑翼型会受到黏性效应的影响,产生层流分离等情况,限制其气动性能,因此,从飞行能力较强的昆虫... 详细信息

微型飞行器在军事和民用领域具有广泛的应用前景,随着小型化发展的要求,微型飞行器面临低雷诺数下的空气动力学问题。低雷诺数环境中,传统光滑翼型会受到黏性效应的影响,产生层流分离等情况,限制其气动性能,因此,从飞行能力较强的昆虫翅膀形态特征中汲取灵感发展高气动性能的翼型具有一定的工程意义。蜻蜓作为自然界中飞行的佼佼者,其翅膀具有两个显著特征:横截面存在褶皱结构和前后翼的串列气动布局。褶皱结构作为蜻蜓翅膀的一个显著形态特征,可提高翅膀的强度,但其在低雷诺数下的空气动力学影响还未得到统一的结论,本文应用计算流体力学（CFD）方法,针对滑翔和拍动两种飞行状态,研究了褶皱位置分布对单翼和串列翼的非定常空气动力学性能的影响。首先,通过研究褶皱弦向位置分布对单翼气动性能的影响,揭示了褶皱翼型的流动规律,对褶皱弦向位置分布的影响进行了总结。在雷诺数为1500时,尾缘褶皱中的涡对前缘涡产生了吸附作用,使前缘涡更贴近壁面并延缓了前缘涡的脱落,增大了翼型上翼面的负压,使得褶皱位于尾缘时翼型的滑翔气动性能最优,雷诺数的改变没有对该现象产生影响;而拍动飞行时,较大的拍动攻角使绕流存在大尺度流动分离,翼型气动性能对表面褶皱结构的敏感度降低,从而使得褶皱弦向位置的改变对气动性能的影响小于滑翔飞行。其次,对单翼上、下翼面的褶皱进行了区分,揭示了上、下翼面褶皱分布对翼型气动性能的影响规律。研究表明:无论是在滑翔还是拍动飞行时,上翼面尾缘的褶皱均能提高该表面的负压,对翼型气动性能的提高是有利的;下翼面褶皱则会降低该表面的正压,对翼型的气动性能产生了不利的影响。最后,在串列翼中对褶皱弦向位置的影响进行了研究,揭示了褶皱弦向位置分布对前后翼气动相互作用机理的影响。研究表明:滑翔飞行时褶皱位于前翼尾缘的串列翼气动性能最优,前后翼以0°相位差拍动时串列翼产生的气动力最大;在两种飞行状态下,前翼褶皱结构的改变对后翼的影响并不明显;后翼的褶皱位于尾缘时,可以提高前翼的气动性能,但前后翼以180°相位差拍动时这种提高并不明显。

关键词：蜻蜓褶皱翼型滑翔飞行拍动飞行气动性能

壁面效应下褶皱结构串列翼气动性能的数值研究

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壁面效应下褶皱结构串列翼气动性能的数值研究

作者：吕玉峰烟台大学

学位级别：硕士

微型飞行器在各个领域都具有广泛的应用价值和发展前景,昆虫在低雷诺数下扑翼产生的非定常流现象和高升力机理为微型飞行器的研究提供了理论依据。蜻蜓拥有优秀的飞行能力,其独特的串列布局和翼面褶皱结构等特征,使之成为微型飞行器重... 详细信息

微型飞行器在各个领域都具有广泛的应用价值和发展前景,昆虫在低雷诺数下扑翼产生的非定常流现象和高升力机理为微型飞行器的研究提供了理论依据。蜻蜓拥有优秀的飞行能力,其独特的串列布局和翼面褶皱结构等特征,使之成为微型飞行器重要的仿生对象。考虑到微型飞行器工作环境复杂多变,可能受到壁面条件的影响,研究壁面效应下的扑翼气动性能对其功能性和安全性设计具有重要意义。本文以蜻蜓翼的褶皱结构及串列布局为基础,应用计算流体力学（CFD）方法对二维串列翼的近壁面飞行进行模拟,考察壁面效应下褶皱结构串列翼的气动性能表现,以及壁面效应下褶皱结构位置分布对串列翼气动性能的影响。首先,对串列翼在不同翼地间距（h）下的近地面扑翼运动进行研究,发现地面效应能显著提升串列翼的气动升力,且随着h的减小,地面效应增强,当串列翼拍动接近地面时,前缘涡被翼与地面相互挤压形成具有缓冲效应的反弹涡,壁面剪切效应减缓了前缘涡的脱落,减小了翼与地面间的气流流速,使下翼面的压力增加,从而提升串列翼的气动升力。其次,对串列翼在不同翼顶间距（h）下的近顶壁扑翼运动进行研究,发现顶壁效应对串列翼的气动升力产生了不利影响,顶壁的缓冲效应和壁面剪切效应产生的垂直作用力与气动升力方向相反,造成串列翼瞬时升力系数的下降。进一步研究发现顶壁效应和地面效应同时存在时（狭窄通道）的串列翼升阻比和无壁面效应的结果接近,相差约1.45%,这说明地面效应和顶壁效应之间存在的关联性并非二者单独存在时气动力的简单叠加。最后,相比于平板翼型串列翼,仿生翼型串列翼气动性能更佳,并且随着翼壁间距（h）的减小,仿生翼型串列翼在地面效应和顶壁效应下的气动力关联性减小,这说明仿生翼型上下翼面的不同褶皱结构会影响壁面效应。通过研究褶皱结构位于前、后、上、下不同位置时串列翼的气动性能,发现褶皱结构能捕获翼面气流,使翼面弯度和翼型厚度增大,从而改变上下翼面气流流速,使翼面压力差发生变化;位于上翼面的褶皱结构能显著提升串列翼气动性能,增强串列翼的地面效应,减弱顶壁效应的不利影响,下翼面褶皱结构对串列翼的气动性能产生不利影响,并增强顶壁效应的影响。

关键词：串列翼褶皱翼型壁面效应拍动飞行气动性能

基于LBM研究弯度对褶皱翼型滑翔性能的影响

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科技通报 2016年第2期32卷 197-201,223页

作者：赵苏苏石兴郑耀杜昌平浙江大学航空航天学院杭州310027

为了研究弯度对褶皱翼型气动特性的影响,受有弯度NACA翼型的启发,通过给常规褶皱翼型附加弯度,构造出有弯度褶皱翼型.在雷诺数等于150,最大相对弯度为0 % - 10 %,攻角为0°- 40°时,采用二阶插值格式的格子Boltzmann方法研究有弯度褶皱... 详细信息

为了研究弯度对褶皱翼型气动特性的影响,受有弯度NACA翼型的启发,通过给常规褶皱翼型附加弯度,构造出有弯度褶皱翼型.在雷诺数等于150,最大相对弯度为0 % - 10 %,攻角为0°- 40°时,采用二阶插值格式的格子Boltzmann方法研究有弯度褶皱翼型的气动特性.数值结果表明,弯度增大,褶皱翼型升阻力均随之增大.小攻角时,弯度对褶皱翼型的气动特性影响相对较小,然而,大攻角时,弯度可以显著改善褶皱翼型的气动特性.

关键词：弯度褶皱翼型气动特性滑翔

弯度对褶皱翼型滑翔和悬停气动性能影响的研究

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弯度对褶皱翼型滑翔和悬停气动性能影响的研究

作者：赵苏苏浙江大学

学位级别：硕士

近年来,微型飞行器(Micro Air Vehicles, MAVs)因其在军/民用领域广泛的潜在应用价值而受到了科学家们越来越多的关注。研究表明,当雷诺数降低时,高雷诺数下适用于宏观飞行器的流线型翼型的气动性能急剧恶化。因而,适用于MAVs的高效翼... 详细信息

近年来,微型飞行器(Micro Air Vehicles, MAVs)因其在军/民用领域广泛的潜在应用价值而受到了科学家们越来越多的关注。研究表明,当雷诺数降低时,高雷诺数下适用于宏观飞行器的流线型翼型的气动性能急剧恶化。因而,适用于MAVs的高效翼型亟待发展。蜻蜓既适合滑翔又适合悬停飞行的褶皱翼型是一个很好的备选翼型。为了研究弯度改变对褶皱翼型气动特性的影响,受有弯度NACA翼型的启发,通过给常规褶皱翼型附加弯度,构造出有弯度褶皱翼型,并采用二阶插值格式的格子Boltzmann方法对其进行研究。对于滑翔飞行,数值结果表明,弯度增大,褶皱翼型升阻力均随之增大。小攻角下,弯度对褶皱翼型的气动特性影响相对较小,然而,流动充分分离时,弯度可以显著改善褶皱翼型的气动特性。对于悬停飞行,数值结果表明,对于本研究涉及的任何拍动幅值和轨迹,弯度增加,力的正负峰值之间的幅度都会稍稍增大。当弯度改变时,拍动幅度越大,翼型受益越大。不同的拍动轨迹按其从弯度改变所获的收益大小按从小到大的顺序依次为：椭圆、双“8”字、直线和“8”字轨迹。

关键词：弯度褶皱翼型气动特性滑翔悬停

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褶皱幅度对仿生翼型滑翔气动特性的影响

力学季刊 2018年第1期39卷 22-32页

作者：张子龙殷雅俊仲政赵红晓同济大学航空航天与力学学院上海200092 清华大学航天航空学院北京100084

蜻蜓翅膀具有独特的褶皱状形貌.研究者们致力于利用仿生学原理,设计在低雷诺数条件下具有更优气动性能的褶皱翼型.本文采用计算流体力学方法,求解二维不可压Navier-Stokes方程组,探讨了四种翼型(平板翼型、流线翼型、小幅度褶皱翼型和... 详细信息

蜻蜓翅膀具有独特的褶皱状形貌.研究者们致力于利用仿生学原理,设计在低雷诺数条件下具有更优气动性能的褶皱翼型.本文采用计算流体力学方法,求解二维不可压Navier-Stokes方程组,探讨了四种翼型(平板翼型、流线翼型、小幅度褶皱翼型和大幅度褶皱翼型)的气动表现.在低雷诺数条件下得到以下结果:(1)较小幅度的褶皱结构有利于增加升力和减小阻力;(2)雷诺数变化时褶皱翼型的升力系数呈非线性变化,在特定雷诺数区间,幅度相近的褶皱翼型会发生相对气动优势的转变;(3)褶皱结构内的回流区通过减小粘性阻力,使得翼型总阻力下降;(4)翼型前缘的极小区域会产生脉冲高升力,对升力表现产生较大影响.这些结果表明,调整褶皱幅度是实现褶皱翼型气动优化的有效方案.

关键词：蜻蜓翅膀褶皱翼型幅度低雷诺数计算流体力学

低雷诺数条件下蜻蜓翅膀褶皱翼型的气动特性分析

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低雷诺数条件下蜻蜓翅膀褶皱翼型的气动特性分析

低雷诺数下仿蜻蜓工程翼型的气动性能计算分析及优化设计

第九届全国流体力学学术会议

作者：张子龙鲁旻殷雅俊赵红晓仲政同济大学大学航空航天与力学学院清华大学航天航空学院

蜻蜓具有卓越的飞行能力,其气动性能显著优于同尺度的人造飞行器。通过实验观察,本文注意到蜻蜓翅膀具有复杂而独特的褶皱状形貌,这与经典的翼型有着显著不同。我们关心这些褶皱在飞行中能否带来正面的气动影响。本文首先基于典型蜻蜓... 详细信息

蜻蜓具有卓越的飞行能力,其气动性能显著优于同尺度的人造飞行器。通过实验观察,本文注意到蜻蜓翅膀具有复杂而独特的褶皱状形貌,这与经典的翼型有着显著不同。我们关心这些褶皱在飞行中能否带来正面的气动影响。本文首先基于典型蜻蜓翅膀横截面的几何特征,构造了一组褶皱振幅渐变的翼型。继而划分结构化网格,采用有限体积法求解二维不可压纳维-斯托克斯方程,获得绕翼流场的速度分布,并计算翼型的升力系数与阻力系数。最后在低雷诺数条件下(Re=500-12000)与平板及NACA0008翼型进行了对比分析。计算结果表明,设计合理的褶皱翼型可以提高平均升阻比,并使翼外流场趋于定常。为了在飞行器仿生设计的过程中实现这种优化效果,翼型褶皱的幅值可被考虑为一个关键参数。

关键词：蜻蜓褶皱翼型低雷诺数计算流体力学微型飞行器

来源： cnki会议评论

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低雷诺数下仿蜻蜓工程翼型的气动性能计算分析及优化设计

作者：庞悦文上海交通大学

学位级别：硕士

蜻蜓翅膀具有较为复杂的褶皱结构,与传统的流线翼型有着显著区别。大量研究从仿生学的角度出发,研究了蜻蜓翅膀褶皱翼型的气动性能,并将其应用于仿蜻蜓工程翼型的研制上,作为优化微小型扑翼飞行器气动布局的方法之一。本文基于仿生学原... 详细信息

蜻蜓翅膀具有较为复杂的褶皱结构,与传统的流线翼型有着显著区别。大量研究从仿生学的角度出发,研究了蜻蜓翅膀褶皱翼型的气动性能,并将其应用于仿蜻蜓工程翼型的研制上,作为优化微小型扑翼飞行器气动布局的方法之一。本文基于仿生学原理和计算流体力学方法,对于仿蜻蜓工程翼型在不同运动模式下进行了深入的气动分析与优化工作。首先,本文分析了蜻蜓翅膀的结构,扑翼运动的规律与几种常见的飞行方式,阐释了蜻蜓获取高升力的几种非定常机制。其次,在现有文献研究的基础上,结合数值提取软件,建立了蜻蜓翅膀不同横截面处的二维褶皱翼型模型;采用计算流体力学方法,基于FLUENT数值仿真软件在低雷诺数条件下分别计算了翼型的关键气动参数及其静压与速度分布,分别探讨了前缘朝向与褶皱结构对褶皱翼型气动性能产生的影响。研究结果表明,前缘朝向和褶皱结构对翼型的气动效率有着直接的影响,在设计三维机翼时,可以参考蜻蜓翅膀在不同位置处的褶皱形态,使机翼整体的气动布局更加合理。同时,本文在滑翔与扑翼两种运动状态下,分别探究了通过调整褶皱幅度与附加弯度两种优化方式对翼型气动性能产生的影响,并耦合这两种方案探究了进一步提升翼型气动性能的可能性。结果表明,在滑翔过程中,单一地调整褶皱幅度或附加弯度在提升翼型气动性能的表现上有一定的局限性。而结合这两种优化方法,能在显著提升翼型的升力系数的同时,降低翼型的阻力系数,是实现褶皱翼型气动优化的有效方案;在扑翼运动中,翼型的气动性能受多种运动参数的影响,运动过程较为复杂,但耦合优化方法在扑翼过程中依然能有效提升翼型的气动特性。

关键词：褶皱翼型微小型飞行器低雷诺数扑翼运动计算流体力学

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蜻蜓褶皱翼气动效能与应力分析

蜻蜓褶皱翼气动效能与应力分析

作者：班学南昌航空大学

学位级别：硕士

鉴于仿生学的飞速发展与微电子技术的日趋完善,微型扑翼飞行器的设计与制造也变得越来越成熟,其广阔的军事与民用用途也要求着微型扑翼飞行器的进一步发展,然而不同于人类传统的飞行器,这些飞行器尺寸较小,飞行速度相对较慢,空中飞行时... 详细信息

鉴于仿生学的飞速发展与微电子技术的日趋完善,微型扑翼飞行器的设计与制造也变得越来越成熟,其广阔的军事与民用用途也要求着微型扑翼飞行器的进一步发展,然而不同于人类传统的飞行器,这些飞行器尺寸较小,飞行速度相对较慢,空中飞行时的阻力就会大大增加,传统的气动布局与飞行方式并不适应于此类飞行器,这就为微型飞行器的发展带来很大的困难,因此要在当前的技术下根据这些微小机器自身的特点设计出新型的并且适应它们的飞行方式。本文将仿生学与流体力学结合,利用流体力学软件Fluent对蜻蜓前翅翼的二维与三维褶皱翼型的流场结构进行模拟,并得出相应结论,本文主要分为以下几个部分:首先,结合仿生学中蜻蜓前翅翼的结构与参数对蜻蜓前翅翼上沿展向五处截面翼型进行模型构建,分别设置0-25°不同的五种攻角,计算后得出相应的升阻力系数图,并求解出五种翼型的升阻比。结果发现在攻角25°内,翼型的升力与阻力均随着攻角增大而增大,靠近身体部分的翼型在滑翔时会产生一个很小的负升力,从而保证翅膀的平直,不会产生翘曲。其次,在完成二维静止翼型的计算后,选取气动效能最好的褶皱翼型,嵌入动网格技术,使褶皱翼型上下非对称扑动,验证UDF函数后,并且解释单个扑动周期内流场结构的变化原因,同时在NACA翼型数据库中选取结构相似的光滑翼型,在同等条件下进行相应的对比模拟仿真,根据所得到的褶皱翼型与光滑翼型翼型的升阻力变化曲线得出的结论显示:褶皱翼型在提升翅膀升力方面比光滑翼型效率更高。对比褶皱翼型2在不同振幅下的升阻力,结果发现蜻蜓最合适的扑动振幅为2—3cm。最后,对蜻蜓前翅翼进行10处剖分,得到相应的翼型数据,并结合蜻蜓前翅翼的平面二维数据进行三维翼型的构建。第一步利用Fluent计算三维翼型的升阻力,之后通过有限元软件ANSYS中Workbench模块对三维翼型进行计算,并得出相应的位移图、应力与应变图,从结果出发分析蜻蜓翅翼上褶皱结构对蜻蜓翅膀强度与韧性的提升。

关键词：扑翼飞行器蜻蜓前翅翼褶皱翼型动网格技术