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昆虫扑翼悬停飞行尾涡影响研究

作　者: 王晓欣
导　师: 吴子牛
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 扑翼飞行 尾涡 涡量矩理论 镜像涡
分类号: V212
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


在昆虫扑翼飞行中，尾涡对于升力的作用存在各种有争议的说法，是扑翼空气动力学研究中一个长期受到关注的问题。本文通过理论方法研究昆虫扑翼悬停飞行中尾涡的演化规律及由于涡环相互诱导引起的升力，从中分析尾涡对于扑翼飞行气动力的影响，并研究尾涡建立的整个过程中周期平均升力在每个周期的变化规律。我们通过理论模型预测的升力变化趋势结果与Birch和Dickinson[1]文献中的实验结果符合得很好。我们建立了昆虫的涡模型，涡模型由翼平面涡环（由附着涡和与翅膀相连的半涡环构成）以及尾涡系构成。尾涡系的建模采用Rayner[2]和Ellington[3]的尾涡模型。对涡模型采用离散涡方法（Rayner[2]）进行运动学分析，获得了涡环在尾涡系中的演化规律。扑翼刚开始时，尾涡环脱落后无序运动，经过若干个周期后，逐渐形成稳定的尾涡系。采用Wu[4]的涡量矩理论对涡环系统进行气动力分析。我们推导得到空间中任意形状涡环运动产生的气动力。涡环在某个方向上的气动力分量正比于涡环的环量与涡环沿该方向投影面积时间变化率的乘积。将该结论用于昆虫涡模型，可将扑翼飞行的升力与涡环的收缩和扩张联系在一起，获得各部分涡量对升力所起的作用。尾涡诱导翼平面涡环收缩导致升力减小20%左右，这恰好与翼平面涡环诱导尾涡运动导致的升力增加相互抵消。因此涡环之间的相互诱导作用不会直接影响升力。尾涡对周期平均升力的影响来自于它们在翼平面诱导的下洗速度导致翼平面附着涡环量的减小。我们推导得到附着涡升力与尾涡环在翼平面处的诱导速度之间的关系，并给出了尾涡系从建立到稳定过程中升力随周期变化的过程。升力先减小后增大，经过若干个周期后达到稳定。升力在第二个半周期出现最小值，这与Birch&Dickinson[1]文献中的实验结果符合的很好，我们从理论上解释了第二周期出现升力最小值的现象。此时尾涡系中只有一个涡环，离翼平面非常近，诱导很大的下洗速度。后续周期虽然尾涡环个数增加，但是在诱导速度场的作用下快速向下运动，对翼平面的诱导作用反而小于第二半周期。我们使用镜像法模拟带固壁的流场，获得带有镜像涡时涡量矩理论的形式。用此方法研究昆虫身体和翅膀对涡环运动及升力的影响。结果表明考虑昆虫身体和翅膀后升力有所减小。身体所占比例越大，则与涡环相关的升力就越小。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 引言  8-24
  1.1 研究背景  8-10
  1.2 研究现状  10-22
    1.2.1 扑翼飞行概述  10-12
    1.2.2 高升力机制  12-14
    1.2.3 扑翼流场中的涡及其对升力的影响  14-16
    1.2.4 扑翼气动力研究  16-20
    1.2.5 昆虫扑翼飞行与微型扑翼飞行器  20-22
    1.2.6 研究现状小结  22
  1.3 本文主要研究内容  22-24
第2章 扑翼悬停飞行涡模型及其中的涡环  24-38
  2.1 涡模型  24-27
  2.2 连续涡面方法  27-30
  2.3 离散涡环方法  30-33
  2.4 涡环的演化  33-36
  2.5 本章小结  36-38
第3章 与涡环相关的气动力  38-52
  3.1 涡量矩理论  38-42
  3.2 任意形状涡环引起的气动力  42-45
    3.2.1 三维任意形状涡环引起的气动力  42-44
    3.2.2 二维平面涡环引起的气动力  44-45
  3.3 昆虫涡模型气动力分析  45-50
    3.3.1 气动力的分解  45-47
    3.3.2 尾涡运动对气动力的影响  47-49
    3.3.3 尾涡自相似段对气动力的影响  49-50
  3.4 本章小结  50-52
第4章 扑翼悬停飞行周期平均气动力随时间的变化  52-65
  4.1 概述  52-53
  4.2 尾涡诱导下洗速度对升力的影响  53-55
  4.3 气动力随周期变化求解方法  55-58
  4.4 气动力随周期变化规律  58-62
    4.4.1 翼平面半涡环与尾涡环气动力  58-59
    4.4.2 附着涡气动力  59-62
  4.5 升力最小值与尾涡环运动的关系  62-64
  4.6 本章小结  64-65
第5章 昆虫身体和翅膀对尾涡及气动力的影响  65-78
  5.1 概述  65-66
  5.2 镜像法及带有镜像涡时的涡量矩理论  66-70
  5.3 昆虫镜像模型  70-72
  5.4 昆虫身体的镜像作用  72-74
  5.5 昆虫翅膀的镜像作用  74-76
  5.6 本章小结  76-78
第6章 结论与展望  78-82
  6.1 结论  78-80
  6.2 展望  80-82
参考文献  82-86
致谢  86-88
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  88

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 基础理论及试验 > 飞行力学
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