非穩態氣動力

空氣動力是指物體與空氣作相對運動時作用在物體上的力，簡稱氣動力。它由兩個分布力系組成：一是沿物體表面面元法線方向的法向分布力系，另一是在表面面元切平面上的切向分布力系。

非穩態氣動力相對於穩態氣動力，指在非穩態運動的機翼、湍流和撲動翼等非穩態條件下，分析相關氣動力。

基本介紹

• 中文名：非穩態氣動力
• 外文名：Unsteady aerodynamic force
• 一級學科：航空航天
• 二級學科：空氣動力學
• 氣動力：又稱空氣動力
• 非穩態情況：非穩態運動的機翼、湍流等

氣動力

空氣動力是指物體與空氣作相對運動時作用在物體上的力，簡稱氣動力。它由兩個分布力系組成：一是沿物體表面面元法線方向的法向分布力系，另一是在表面面元切平面上的切向分布力系。空氣動力通常就是指這兩個力系的合力。以飛行器(如飛機)為倒，為便於對飛行器的運動規律進行分析，通常取一個原點位於飛行器重心的氣流坐標系，將空氣動力分解為三個方向上的分量。設坐標系的x軸平行於氣流方向且正向與氣流方向相反，y軸在飛行器對稱面內與x軸垂直且正向指向飛行器上方，z軸垂直於xy平面，指向右翼，則合力在x、y、z三個軸上的分量分別稱為阻力、舉力和側向力。若空氣動力作用點與飛行器重心不重合，則飛行器還受到一個合力矩的作用，它在x、y、z三個軸上的分量分別稱為滾轉力矩、偏航力矩和俯仰力矩。飛行器所受的空氣動力與它的飛行速度、高度和飛行姿態有關。空氣動力的分布和大小是飛行器結構和強度設計的依據，而且關係到飛行器的飛行性能、操縱性能和穩定性。空氣動力學的一個主要任務就是確定飛行器的空氣動力。確定空氣動力需要知道空氣的性質和運動規律。相應於低速流動、亞聲速流動、跨聲速流動、超聲速流動、高超聲速流動、稀薄氣體流動和高溫氣體流動等不同情況，空氣動力的分析有不同的理論和實驗方法。

撲動翼的氣動性能研究

長期以來人們對於昆蟲產生高升力的機理進行了不懈的探索，尤其是昆蟲在懸停時仍能僅靠撲動來產生高升力，這種高度非穩態的現象無法用準穩態理論來進行描述。昆蟲的撲動運動是一個非常複雜的過程，目前人們對於該問題的研究尚處於起步階段。戴濱採用Altair公司的AcuSolve軟體進行建模與仿真，該軟體基於有限元方法，計算精度高，建模簡單，且對格線質量要求不高。在前人研究的墓礎上對昆蟲的運動進行簡化，並利用簡化模型來驗證前人所論述的高升力機理，進而改變運動參數，分析這些參數對昆蟲飛行氣動性能的影響。根據前人的研究結果，在低雷諾數範圍(大約10200)及不考慮展向流動的情況下，可把昆蟲翼剖面簡化為二維橢圓翼，可將複雜的翅膀運動簡化成兩自由度的平移和轉動，且分別可由兩個正弦函式來描述。

戴濱所得結果包括橢圓翼的升阻力係數、流場結構，以及改變運動參數時這些定量係數與流場結構的變化情況。計算結果表明平移和轉動的相位差對氣動力係數與流場結構起到了決定性的作用。戴濱驗證了前人所提出的延遲失速、旋轉增升、尾渦捕捉三個昆蟲常用的增升機制，其中延遲失速使整個撲動過程維持在一個較高的升力水平，而旋轉增升和尾渦捕捉則在此基礎上提高了瞬時的升力係數並有效提高了飛行效率.這也解釋了撲動的瞬態氣動力和穩態氣動力在數值上的差別，以及為何準定常模型無法準確預測撲動翼升力係數的原因。另外戴濱還研究了撲動的振幅、轉軸位置及翼型厚度對於氣動力係數的影響，研究表明在本文所研究的範圍內，這些參數影響不大。

非穩態運動機翼

對於非穩態運動的機翼，旋渦以及旋渦與機翼的相互作用對於機翼的氣動性能有著重要的影響。在機翼從突然加速直到穩定速度的過程中，附著渦需要發展一段時間才能達到最終穩態狀態，這個過程取決於運動的加速度.在急劇加速的過程中，機翼能夠產生大的升力，而穩態值只有當機翼移動了幾個翼弦長度之後才能達到。當機翼以大攻角(超過失速攻角)運動時，一個大的瞬時渦將會在機翼前緣形成，這個旋渦能夠在前緣形成一個低壓區，並極大地增加升力。這個旋渦在機翼運動的過程中，變得不穩定，最終脫落進入尾流，此時升力下降，並逐漸趨於穩定值。而對於小攻角的情況，來流一直附著在前緣上，在前緣上沒有旋渦，而是會形成一個前緣分離泡，並在以後的運動過程中一直附著在前緣上，升力沒有大的起伏。對於昆蟲而言，飛行過程中翅膀的攻角一直處於大攻角狀態，但由於昆蟲翅膀在撲動過程中，行程很短，一般在2-3個弦長，所以附著在前緣上的旋渦來不及脫落，這使得翅膀在撲動過程中一直維持一個高的升力狀態。

以上的延遲失速是機翼在平移階段運用的一個主要增升機制，另外在上撲和下撲結束時，撲動翼還將出現快速的旋轉。Kramer首次提出，機翼可以通過從小攻角到大攻角的旋轉而產生大於穩態升力係數的值.Dickinson等人在實驗中通過一個機械裝置來模擬昆蟲撲動的運動參數，他們在上下撲動行程的始末測得了兩個氣動力的峰值，其中出現在撲動翻轉前的氣動力峰值可以通過旋轉增升來解釋。

上述實驗中的第二個氣動力峰值出現在撲動翼翻轉之後，這個峰值被解釋為翅膀和前一個撲動時所產生的尾渦之間的相互作用，這個機制被稱作尾跡捕捉。前一個撲動所產生的尾跡增加了下一個撲動時機翼的有效來流速度，產生了額外的升力.之所以將這個氣動力峰值和前一個氣動力峰值區分開來是因為前一個氣動力峰值受到平移和轉動之間相位角的影響，而後一個峰值不管是轉動發生在平移結束的前面還是之後都不會有影響。Dickinson的實驗表明第二個氣動峰值即使是在翅膀停止轉動的時候仍然存在，說明前一個撲動所產生的尾跡在流場中充當了升力的能量來源，翅膀利用捕捉尾流場來提高能量效率。

湍流氣動力

湍流是一種複雜的非穩態流動，在湍流中，流體的各種物理參數，如速度、壓力、溫度等都隨時間與空間發生隨機的變化，但這些量的統計平均值卻是有規律的。

人們對於湍流的研究已經有很長的歷史，雖然經過很多科學家的研究取得了一定成果，但是對於湍流運動其本原理仍未完全掌握。到目前為止，還沒有一個湍流模型能對所有的湍流運動給出滿意的結果。一種比較常用的模型只能對某一類湍流運動給出滿意的結果。為了求解能夠比較準確，選擇湍流模型的時候要注意以下幾點：流體的物理現象，模擬的精度要求，可用計算資源等。選擇湍流模型的時候，還要了解不同條件的適用範圍。湍流流動的模擬目前主要有三種方法：Reynolds（雷諾）時均方程方法，直接數值模擬，大渦模擬方法。

李智勞運用FLUENT軟體提供的壓力基-隱式解法來求解低馬赫數的不可壓縮流動問題，得到了0.3馬赫時的流場分布。壓力基求解器是從原來的分離式求解器發展而來，它是按照順序求解動量方程，壓力基礎修正方程，能量方程和組分方程及其他標量方程。