鳥類撲翼飛行流動控制機理的數值研究

《鳥類撲翼飛行流動控制機理的數值研究》是依託中國空氣動力研究與發展中心，由常興華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鳥類撲翼飛行流動控制機理的數值研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：常興華
• 依託單位：中國空氣動力研究與發展中心

項目摘要

該項目擬通過動態混合格線技術及非定常數值計算方法，對鳥類撲翼飛行的非定常流動進行數值模擬，並對其非定常流動機理進行分析。通過測仿鴿子的撲翼飛行過程，研究鳥翼的運動及變形規律，建立撲翼運動的數學模型；通過數值模擬鴿子的撲翼飛行過程，分析其非定常氣動力產生機理，對其翼型及運動方式進行最佳化，並對其轉向、加速等飛行控制機理進行初步探討。擬達到的研究目標是：建立一套針對複雜外形及複雜柔性變形問題的數值模擬方法；針對鴿子外形，建立其撲翼運動的數學模型，了解撲翼飛行的非定常氣動力產生及轉向、加速等流動控制機理。

結題摘要

小型撲翼飛行器具有非常重要的國防和經濟價值，因此逐漸成為國內外科研機構研究的一個熱點領域。和常規的固定翼飛行器相比，採用撲翼的方式可以在低雷諾數下產生更大的升力，且具有更小的噪音和更高的飛行效率。自然界的鳥類、昆蟲等經過億萬年的進化，具有優越的飛行能力，因此，對其撲翼過程的運動學機制以及非定常氣動力的產生機理開展研究具有非常重要的意義。 鳥類的撲翼飛行是一個非常複雜的多學科交叉問題，涵蓋了生物學、流體力學、材料力學、飛行力學等學科，且由於鳥類是自主運動的生物體，對其進行觀察研究具有很大的難度。而採用數值方法研究，則需要解決翼型的構造、撲翼過程的運動學機制、非定常流動、氣動-運動的耦合、翼型的主動-被動變形等各方面的問題，就目前的計算能力而言仍具有相當大的挑戰性。因此，目前國內外針對撲翼過程的數值研究普遍採用了簡化的模型，如無厚度的平板、二維翼型等。這些針對簡化模型的研究有助於分析撲翼過程的非定常氣動力產生機理，也給出了很多定性的結論。但是真實鳥類的撲翼過程是複雜的，其存在非常強的三維特性，且存在劇烈的柔性變形，這些運動及變形機制對其飛行能力的影響十分重要，因此非常有必要對其開展更加細緻的研究。 本項目選擇中等體型的鳥類（鴿子、海鷗）作為研究對象，對其巡航飛行時的撲翼運動機制、撲翼參數的影響等進行了數值模擬及分析。首先發展了基於徑向基函式的格線變形技術，建立了NS方程-RBD方程的緊耦合算法，從而建立了適用於鳥類自主飛行過程研究的數值模擬技術；在此基礎上，針對二維撲翼問題進行了數值分析，探討了翼型及下拍時間對撲翼效率的影響；進一步針對三維鴿子及海鷗外形的撲翼過程進行了數值模擬，建立了兩段翼撲翼運動模型，分析了下拍時間、拍動角度、扭轉角等各種撲翼參數對非定常氣動力及流場結構的影響。通過這些研究，對撲翼運動的氣動力產生機理有了更為深刻的認識，得到了各種撲翼參數的影響規律，為後續針對自主飛行過程、機動飛行過程的研究奠定了基礎。