非正弦升沉运动对扑翼自主推进的影响

为了研究仿生推进机理以及仿生机器人,弥补非自主推进的局限性,采用数值方法耦合求解流体动力与扑翼运动,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,K作为波形调节参数使波形由三角波变为正弦波以及方波,数值模拟了2个频率-升沉幅值组合下非正弦升沉运动的自主推进性能,研究在静水中不同运动波形对自主推进速度、自主推进效率以及流场结构的影响。结果表明非正弦波形对自主推进运动影响很大,随着K的增大即越接近方波,速度振荡越剧烈,起动加速越快,前进位移与平均速度越大;随着K的减小,自主推进效率及能量利用率不断增大,研究结果对仿生水下航行器的设计有一定指导意义。     

扑翼气动力特性的数值研究

利用流体力学数值方法有限体积法,研究了低雷诺数下二维蜻蜓翼模型在运动过程中的气动力特性.结果表明:随翼型厚度的增加,其垂直升力和水平推力均有所下降;随着扑动幅值的增加,升力和推力也显著增加;改变扑动频率、升力和推力在频率为30~50Hz的范围内产生一个峰值,符合实际蜻蜓扑动频率范围;改变翼扑动平面倾角发现,随倾角的增大,升力逐渐减小,而推力则稳步增加;在一个扑动周期内,翼的下拍过程主要产生升力,而推力的产生主要来源于翼的上挥运动.     

扑翼的推力特性与功率特性的实验研究

针对扑翼实验动态特性强、测控变量多的特点,设计了一种实验专用的扑动机构,在实现对扑动频率和扑动幅度精确调控的同时,集成了对瞬时扑动角度和输入功率的测量功能,建立了一套适用于扑翼风洞实验的测控系统,能够实现对动态气动力、扑动角度、扑动翼输入功率等量的实时同步测量;在此基础上针对扑翼的推力特性和功率特性进行了风洞实验研究,着重分析了在不同扑动频率和不同扑动幅度情况下扑翼的推力与功率特性;实验结果表明,在研究的范畴内,扑动频率和扑动幅度的增大都有利于推力的产生,但都会增大对应的功耗;推力和功耗都随St的增大呈"J"型曲线增长,当St小于0.25时,推力和功耗的增长趋势较缓,随着St的增大,尤其当St大于0.3时,推力和功耗将大幅增大。     

基于四杆机构的扑翼驱动机构设计和运动仿真

设计了一种基于四杆机构的新型扑翼驱动机构,实现仿生扑翼飞行运动。为了获得最佳的传动性能,通过数值分析计算得到最小传动角,并得到扑动过程的最大上扑角和下扑角。运用参数化建模的方式得到扑翼机构的模型,在ADAMS中进行运动学仿真分析。仿真结果表明:机翼在扑动过程中的扑动角度、角速度和角加速度与时间成正弦规律变化,最大上扑角和下扑角与理论计算值基本一致,为扑翼驱动机构的设计制造提供依据。     

柔性拍动翼的水动力与推进效率研究

为研究柔性拍动翼的水动力性能及指导仿生推进器的设计,应用自主开发的浸入边界法CFD程序数值模拟了三维柔性翼的非定常绕流问题.在固定的笛卡尔网格上通过基于虚拟网格的边界条件重建算法来施加复杂移动变形边界对流动的影响,以能量的视角提出一种对刚性和柔性拍动翼都适用的推进效率数值计算方法,并系统地研究了各参数对三维柔性翼推进性能的影响.结果表明:当变形运动控制参数ε处于2.0~3.5,且弦向变形系数δ为0.1时,柔性拍动翼的推进效率将超过刚性翼;柔性翼性能随变形运动控制参数的变化取决于水动力产生表象之下的涡动力学,包括翼尾缘变形对漩涡脱落的控制和展向涡量输运机制;柔性拍动翼的平均推力随无因次频率k的增大而单调增加,与实验中依靠胸鳍推进的鱼通过增加胸鳍的拍动频率来增加推力的现象是一致的;存在一个使柔性翼的推进效率最高的最优k,即实验中依靠尾鳍推进的鱼存在一个最优斯特劳哈尔数,使效率最佳的特性在模拟中得以体现.     

翼型厚度和弯度对前飞扑翼气动性能的影响

扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行方式的新型飞行器.翼型参数设计对提高扑翼飞行器性能至关重要,为研究扑翼翼型厚度和翼型弯度对前飞扑翼气动性能的影响,基于自然界中飞行生物的实验观测结果建立了前飞扑翼气动特性计算模型,针对不同厚度和弯度的NACA系列标准翼型,采用计算流体力学方法求解二维不可压缩非定常Navier-Stokes方程,基于有限体积法并结合动态网格技术,分析了低雷诺数条件下对应不同来流速度的刚性前飞扑翼气动力、能耗、气动效率以及周围流场结构随翼型厚度和弯度的变化规律.结果表明,不同来流速度条件下扑翼推力和能耗均随翼型厚度的增大而逐渐减小,随着翼型厚度的增大,扑翼推进效率最大降幅达15.9%;翼型厚度的增加,降低了前缘涡强度并延迟了前缘涡的脱落.翼型弯度可以改变翼型的有效气动攻角,翼型弯度的增加可以显著提高翼型升力和升举效率,并促使尾流中心线向右下方倾斜;正向弯度扑翼在下扑行程能产生更大的升力,而负向弯度扑翼则在上挥行程中产生了更大的推力.     

微型扑翼飞行器机翼气动特性研究

依据微型扑翼飞行器产生升力和推力的机理,设计了一套能够快速、有效求得扑翼飞行器机翼气动特性的计算方法。计算程序通过V isual Basic和Fortran语言混合编程来实现,核心部分是利用改进的片条理论方法估算扑翼机翼的气动性能。计算结果与在西北工业大学微型飞行器专用风洞中所进行的吹风试验结果吻合良好,证明了该方法的正确性和有效性。在此基础上,研究了不同机翼平面形状、不同展弦比、不同上下扑时间比对微型扑翼飞行器机翼气动性能的影响,这些参数对微型飞行器的设计有一定的指导和参考意义。     

基于Fluent的扑翼飞行器非定常空气动力学分析

在仿生扑翼飞行器的设计和研究中,扑翼所产生的升力系数和推力系数具有重要的意义.针对本课题所研制的一种仿鸟扑翼飞行器,利用Fluent分析了翅翼在不同控制飞行参数(包括飞行速度,扑动频率)下的升力和推力系数,其仿真结果与对气动模型进行定性分析的结果基本一致,验证了该法对扑翼飞行器进行非定常空气动力学分析的可行性,为扑翼飞行器的进一步研究设计提供考.     

水下两相冲压喷射发动机性能的数值模拟研究

为了对水下两相冲压喷射发动机的性能进行理论研究,分别对扩张段、混合腔及喷管进行分析并建立了物理模型.基于双流体模型,采用变步长的Runge-Kutta法进行了喷管内泡状流计算.综合各部分计算结果求得发动机推力与推进效率.重点研究了混合腔与入口面积比(Am/Ai)、发动机入口面积(Ai)、通气量、航行速度及初始气泡半径对发动机推力及效率的影响.计算结果表明:发动机推力和效率均随着面积比Am/Ai的增大而增大;当Am/Ai保持不变时,推力和效率随入口面积Ai的增大而增大;推力随着通气量、航行速度的增大而增大,效率却随其增大而减小;气泡初始半径增大时,发动机推力及效率同时减小.这将为两相冲压喷射发动机设计提供一定依据.     

仿生微型扑翼飞行器飞行性能计算与分析

仿生微型扑翼飞行器是近年来国内外的研究热点,飞行性能计算是飞行器总体设计过程中的重要步骤。首先分析了扑翼飞行器与常规固定翼飞行器在性能估算方法方面的不同之处,基于扑翼气动计算与风洞实验测量的结果,提出了扑翼飞行器性能计算方法,并对所研制的扑翼飞行器的平飞性能、爬升性能、续航性能进行了计算与分析。扑翼的频率在一定程度上代表油门,而频率和升力、推力均是耦合的关系。计算结果表明,在一定频率下,可能存在2种稳定巡航状态,一种是小迎角大速度,一种是大迎角小速度,两者对应不同的功耗。根据飞行器的参数可以计算出上升性能和续航性能,扑翼飞行器的速度功率特性曲线为U字形,通过作图法可求得曲线的最小斜率为远航速度,U形曲线的速度最小值为久航速度。该飞行性能计算方法可用于评估仿生扑翼飞行器的飞行能力。