蝙蝠翼的主動變形對其氣動力影響的數值研究

《蝙蝠翼的主動變形對其氣動力影響的數值研究》是依託中國科學院力學研究所，由王士召擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：蝙蝠翼的主動變形對其氣動力影響的數值研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王士召
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

蝙蝠翼含10餘個關節。由關節運動控制的主動變形是蝙蝠翼重要的運動學特徵。理解蝙蝠翼主動變形中的空氣動力學機制既是微型飛行器仿生設計的需求，又是探索蝙蝠飛行的生物學規律的重要途徑。本項目採用數值模擬的方法研究蝙蝠翼的主動變形對其氣動力和流場結構的影響。主動變形對蝙蝠翼幾何參數的影響主要體現在：翼展的伸縮運動、內外翼攻角的差異和前膜導翼的運動。本項目通過控制計算模型的關節運動，構建反映不同程度主動變形效果的參照模型；通過求解NS方程，得到三維非定常流場；通過對比不同運動方式下模型的氣動力變化規律，揭示蝙蝠翼主動變形與其氣動力變化間的規律；通過分析流場結構與氣動力間的關係，闡明蝙蝠翼主動變形中的流動控制機理。與前人的工作相比，本項目著力研究蝙蝠翼的主動變形的影響。本項目與已有的柔性被動變形研究成果相互補充，可促進對蝙蝠翼氣動力特徵的全面認識。

結題摘要

蝙蝠具有獨特的膜翼結構和優異的飛行性能，是仿生飛行器設計的重要參照對象。由關節運動控制的主動變形是蝙蝠翼的運動學特徵。本項目採用數值模擬研究蝙蝠翼的主動變形對其氣動力的影響。蝙蝠翼的主動變形引起翼展的周期性伸縮以及局部攻角或面積的劇烈改變。本項目通過構建和控制不同自由度的蝙蝠飛行計算模型研究了不同形式的主動變形對升阻力和流場結構的影響，結果表明：展向伸縮運動可顯著提高蝙蝠撲翼飛行中的升力和效率。展向伸縮運動是指蝙蝠翼在下撲過程中向外伸張，在上揮過程中向內收縮。同時，展向伸縮運動改變了蝙蝠翼前緣渦和翼尖渦的強度和演化過程。為了定量地分析升力與流場結構間的關係，我們提出了一個顯含渦力項的簡化升力公式。該公式可看作Kutta-Joukowski定理在粘性非定常流動中的一個推廣。流場結構與升力關係的定量分析表明：展向伸縮運動引起的渦動力學效應是提高升力的重要因素。在蝙蝠撲翼飛行的Strouhal數和攻角變化範圍內，渦動力學效應對升力增量的貢獻可高達50%（註：另外50%為升力面變化對應的面積效應）。翼展伸縮過程引起的渦動力學效應的主要表現為：（1）下撲過程中翼展伸張的拉伸作用使前緣渦增強，促使渦升力增加；（2）上揮過程中翼尖渦與下翼面的展向渦相互干擾，抑制負的渦升力的產生。翼展的伸縮運動為撲翼飛行的性能改善和流動控制提供了一種新的方式。此類展向運動在本項目的矩形平板撲翼和滑翔翼的算例中均得到了顯著的升力增加和效率提高。本項目所研究的蝙蝠翼的主動變形增升方式和機制與已有的柔性被動變形研究成果相呼應，有利於促進仿蝙蝠飛行器的發展。