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.     

下表面射流对翼型气动性能影响的数值模拟

为探索增强小迎角下翼型气动性能的射流控制方法,进而实现无舵飞行控制,在环量控制的启发下,提出在NACA0012翼型下表面靠近后缘的位置布置射流(Jet on the lower surface of trailing edge, LSTE jet),并通过分析流动状态与参数变化优化LSTE射流的气动控制效果.首先,采用3套不同规模的网格对NACA0012翼型本身进行数值模拟,验证了数值模拟方法的收敛性与有效性.其次,通过比较流场的马赫数分布、流线和压力分布的变化,研究了LSTE射流影响翼型气动性能的机理.最后,研究了翼型的气动系数随射流的位置、动量系数和前向夹角的变化规律.结果表明:LSTE射流在后缘诱导产生逆时针的涡,形成低压分离区,使后缘主流向下偏折,增加了翼型的有效弯度,并且前缘的吸力峰也因此增加,从而增大了升力系数;LSTE射流越靠近后缘,动量系数越大,增升减阻效果越好,但翼型的失速迎角会减小1°～3°;在不同的迎角和射流动量系数下,翼型的最大升力和最小阻力可以同时在γ=60°～70°之间达到.利用LSTE射流可以有效改变小迎角下翼型的气动性能,对实现飞行器无舵操纵有一定意义.     

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.     

扑翼柔性变形对悬停气动特性影响的数值研究

为研究扑动飞行器悬停时扑翼的变形给气动力及周围流场带来的影响,通过求解二维Navier-Stokes方程,分析了扑翼气动力及其周围流场结构随扑翼柔性变形的变化规律.结果显示,当扑翼在悬停扑动时,适当的柔性变形可以提高升力,增大升阻比,有效地改善气动特性.但是,过度的柔性变形会使扑翼的气动特性恶化,升力和升阻比随着过度的变形而减小.     

扇翼三维几何参数对气动性能影响分析

本文建立基于CFD的扇翼三维几何模型的数值模拟方法对扇翼气动特性进行分析。计算了叶片安装角、前缘开口角、叶片间隙等几何参数对扇翼翼型气动特性的影响,分析了各参数对扇翼升力和推力的影响,揭示了扇翼气动性能与其几何参数之间的关系,得出了一些实用性的结论,为后期扇翼飞行器的设计和发展奠定了一定的理论基础。     

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。     

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。     

翼型超低雷诺数气动特性研究

采用多块格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)研究超低雷诺数下翼型的气动特性。在超低雷诺数下,由于粘性作用十分显著,流动呈现明显的非定常特性,引起前后缘层流分离与再附以及涡脱落现象。结果表明粘性作用改变了翼型的有效攻角与有效弯度,对翼型的气动性能有重要影响。翼型厚度增加明显降低了升阻比,翼型几何弯度的增加可以补偿粘性作用引起的有效弯度的减小,雷诺数的减小会减小翼型的升阻比。     

通用风力机翼型气动特性数值模拟

针对某翼型扰流流动,建立了二维可压缩湍流模型,利用商业软件FLUENT对翼型不同来流攻角下的气动特性进行了相应的数值模拟计算.湍流黏度采用基于RANS的Spalart-A llm aras湍流模型处理,得出了雷诺数在3.2×106时,某翼型的升力系数、阻力系数和压力分布随来流攻角的变化关系,并与同类翼型实验数据进行对比.结果显示:该翼型与修型前的翼型相比,具有较高的升力系数和升阻比,失速性能更好.     

基于Fluent的亚音速翼型气动特性数值研究

根据Spalart-Allmaras模型建立了NACA0006翼型二维湍流流动模型,并对模型近壁面进行了网格加密处理.利用Fluent软件模拟了NACA0006翼型的二维湍流流动,得到在不同攻角及马赫数下升力系数和阻力系数的变化特性.研究结果表明,在所选攻角范围内,随着攻角的增大,升力系数和阻力系数均逐渐增大;在跨音速区,由于激波的产生,升力系数急剧下降.Fluent为研究翼型气动特性提供了重要参考和依据.     

Aerodynamic Analysis and Simulation of Flapping Wing Aerial Vehicles on Hovering

In order to design and verify control algorithms for flapping wing aerial vehicles(FWAVs),calculation models of the translational force,rotational force and virtual mass force were established with the basis on the modified quasi-steady aerodynamic theory and high lift mechanisms of insect flight.The simulation results show that the rotational force and virtual mass force can be ignored in the hovering FWAVs with simple harmonic motions in a cycle.The effects of the wing deformation on aerodynamic forces were investigated by regarding the maximum rotational angle of wingtip as a reference variable.The simulation results also show that the average lift coefficient increases and drag coefficient decreases with the increase of the maximum rotational angle of wingtip in the range of 0-90°.     

Comparison of two design methods of aerodynamic biobjectives for airfoil and wing shapes

It is well known that a modern fighter should have high aerodynamic performance, i.e. high CL/CD at subsonic speed and low drag at supersonic speed at the meantime. To realize low cruise drag at supersonic flight the wing plane should not be cambered, while to get high aerodynamic efficiency at subsonic/transonic flight, it should be cambered. A naturally way to solve this conflict is to make the fighter have an 揳daptive wing? i.e. to change the wing shape automatically to satisfy the requir…     

垂直起降固定翼飞翼布局无人机过渡飞行纵向稳定性研究

针对由两个主涵道风扇和一个前涵道风扇组成垂直升力部件的垂直起降固定翼飞翼布局无人机,估算出风扇推力和喷流/机翼的诱导气动力,考虑到过渡飞行过程的气动干扰明显和配平控制量变化较大的影响,并且为了防止无人机进入失效陡壁,提出一种预置飞行迎角加速到安全速度后,先关闭主涵道再关闭前涵道风扇的过渡飞行控制策略,分析了无人机平飞速度、涵道风扇入口来流、出口喷流对配平和过渡飞行纵向稳定性的影响,得到了涵道风扇的作用减小了过渡飞行的短周期稳定性、增加了长周期的阻尼的结论.     

基于交叉簧片式铰链的变弯度机翼机构设计

为了研究机翼弦向连续变弯度的设计问题,提出由柔性后缘机构与刚性连杆驱动机构组成的机翼变弯度设计方案以及建模分析方法. 基于交叉簧片式柔性铰链设计机翼机构构型. 采用链式梁约束建模方法,建立柔性后缘机构的理论力学模型,得到其受力和变形的关系,并利用有限元仿真对理论力学模型进行验证. 在力学模型的基础上,采用NSGA-II多目标遗传算法优化机翼机构的相关尺寸参数,提升机翼的气动特性. 经优化,机翼巡航阶段的升阻比提升1.09%,起降阶段的升力系数提高2.54%. 经实验验证了设计的变弯度机翼机构变弯度的精度和变弯度的范围.     

超临界机翼静气动弹性特性研究

采用三维Euler方程为控制方程，计算机翼所受的气动力与静气动弹性平衡方程耦合求解，研究超临界机翼的静气动弹性规律，并以超临界弹性机翼和普通弹性机翼为算例，计算弹性飞机飞行中的真实载荷和扭转变形，并在已知弹性机翼飞行时总载荷保持不变的情况下，确定超临界机翼结构弹性在飞行中对载荷的影响。     

前后双翼差相位扑动对升力的影响

以蜻蜓(Sympetrum sanguineum)为参考对象,通过求解Navier-Stokes方程,分析了蜻蜓前飞时前、后两对翼的相互作用对升力的影响.结果表明,蜻蜓以后翼扑动超前前翼90°相位的方式飞行时,前翼的升力相对于单翼增大约1/3,其主要产生于翼的下拍运动,而后翼的升力变化不大,蜻蜓以这种差相位扑动方式飞行有利于在整个扑动周期内提供一个相对持续稳定的升力.     

鸮翼前缘非光滑形态消声降噪机理

长耳鸮扑翼噪声测量试验表明,其翼前缘圆弧齿状非光滑形态对其飞行降噪影响显著。应用逆向重构技术,对长耳鸮翼前缘非光滑形态特征几何信息进行量化,并建立仿生类比模型。采用计算气动声学方法,对仿生前缘非光滑模型的降噪特性进行了数值模拟,并通过分析仿生非光滑形态对模型表面流场的影响,对仿生非光滑形态气流噪声控制机理进行了研究。结果表明,仿生非光滑模型与光滑模型相比,可降低气流噪声5～10 dB,且具备一定的增升作用;仿生前缘非光滑形态具有整流及控制气流分离的特性,可减少由于翼表面气流压力脉动及涡流脱离引发的气流噪声。     

Design,fabrication and kinematics of a bio-inspired robotic bat wing

The current work is oriented toward the development of a novel biologically inspired bat aerial robot with morphing wings. Based on the flight characteristics data of natural bats (Eptesicus fuscus), a novel four degrees of freedom robotic bat wing was developed to emulate the movements of bat wing. The design, fabrication, programing and wind tunnel experiments of the robot bat wing are described in this paper. Based on this robotic wing, the influence of flap amplitude, wind speed, flight frequency, downstroke ratio and stroke plane angle as well as the contributions of flap, elbow, sweep and wrist motions on the aerodynamic force and mechanical power were studied and analyzed. Results of wind tunnel experiments validated that higher lift would bring greater power consumption, and the flap motion would generate the most force and need more energy expenditure compared with other motions of bat. The experimental results suggest that the flap and fold motions are indispensable to make a robotic bat wing that has a better flight performance. This study provides some implications and a better understanding for the future robotic bat.