仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及扑翼机构研究（已处理）

仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及扑翼机构研究
摘要
微扑翼飞行器Flapping-wing micro aerial vehicles模仿鸟类或昆虫的飞行
原理,具有体积小、重量轻、隐身性好等优点,被广泛使用到军用和民用领域。

本文以仿蝴蝶微型扑翼机为研究对象,首先分析凤蝶的飞行参数,在此基础上,
建立了仿蝴蝶扑翼机的参数化模型,研究了仿蝴蝶扑翼机的流体和扑翼机构的
运动特性。

(1)对凤蝶的扑翼飞行和微观形态进行了整理和分析,获得了凤蝶扑翼
飞行的尺寸参数及运动参数,为仿蝴蝶扑翼机的数值建模和机构分析提供了数
据参考。

(2)以流体仿真软件 FLUENT 为平台,采用参数化语言,建立了仿蝴蝶
流体分析模型,针对解决流场的动边界这一难点,采用动网格技术,对翼型的流体动力学性能进行研究。

流体仿真结果表明:涡流是产生高升力的主要原因;
在大翼展、低频率扑动前提下,扑翼幅值与产生的升力和推力成正比。

(3)以平面四杆机构为基础,用解析法设计了具有急回特性的扑翼机构,
并以 solidworks 软件为平台,建立了扑翼机构的三维模型,进行了扑翼机构的
运动仿真,将仿真结果与解析法设计的扑翼机构的运动特性进行比较,验证了
解析法设计急回特性的扑翼机构的可行性和可靠性。

关键词:微扑翼飞行器,流体力学仿真,动网格技术,急回特性,运动仿真
I
Abstract
Flapping-wing micro aerial vehicles mimic birds or insect flight principle, has
the advantage of small volume, light weight, good stealth ability, etc., is widely used
in military and civil fields. Papilio is chosen to research the flapping wing flight and
flight mechanism in this paper. The parametric language is used to constructed
butterfly wing model to carry on motion analysis and the design of the
flapping-wing mechanism1 Researched and analyzed the flapping wing flight and micro-morphology of
the papilio, obtained its dimension parameter and motion parameter,
provided data
references for the numerical modeling and mechanical modeling of the bionic
ornithopter 2The imitating butterfly fluid simulation mode is based on the
parameterized modeling method on FLUENT software platform, to solve the flow
field of the moving boundary this problem, using the dynamic mesh technique,
research on hydrodynamic performance of airfoil. Fluid simulation results show:
eddy current is the main cause of high lift; in the large span, the low frequency
,
flutter premise, flapping amplitude is proportional to lift and thrust s generated3Based on the analytical method design the plane four-bar linkage, using
quick-return characteristics to design flapping-wing mechanism, and make motion
analyses. Established the three-dimensional model of the flapping wing, and made
motion simulation on solidworks software. The research results reveal
that the
flapping-wing mechanism motion analysis which is compared with
three-dimensional model simulated analysis is feasible and reliable Keyword: Flapping-wing micro aerial vehicles, fluid dynamics simulation,
dynamic mesh, quick-return characteristics, motion simulation
II南昌航空大学硕士学位论文目录
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论1
1.1 引言.1
1.2 微型扑翼飞行器的研究现状及分析2
1.2.1 国外研究现状..3
1.2.2 国内研究现状..5
1.3 本文的研究目的及意义..7
1.3.1 微型扑翼飞行器的研究目的..7
1.3.2 拟解决的技术问题7
1.4 本文的内容安排..8
第2章昆虫扑翼飞行原理及蝴蝶翅形态结构9
2.1 昆虫扑翼飞行原理.9
2.1.1 雷诺数..9
2.1.2 昆虫的飞行机理..10
2.1.3 蝴蝶的飞行机理..13
2.2 蝴蝶翅形态结构14
2.2.1 蝴蝶翅气动外形特质14
2.2.2 蝴蝶翅三维形状测量15
2.2.3 自由飞行时蝴蝶翅形态结构16 2.3 蝴蝶翅微观形态17
2.3.1 翅的表观结构18
2.3.2 翅的断面结构19
2.4 本章小结19
第3章仿生扑翼模型的流场分析21 3.1 FLUENT软件简介..21
3.1.1 FLUENT软件求解步骤..21
III南昌航空大学硕士学位论文目录3.1.2 求解控制方程22
3.2 翼型的流场数值计算.23
3.2.1 翼型建模及网格化.23
3.2.2 翼型的流场计算..24
3.3 翅翼拍动中流场的数值模拟.27 3.3.1 动网格技术.27
3.3.2 动态数值分析28
3.3.3 拍打振幅对扑翼运动的影响31
3.4 本章小结32
第4章扑翼机构设计及建模分析33
4.1 扑翼机构的设计.33
4.1.1 扑翼机构总体设计要求..33
4.1.2 扑翼的实现方案..34
4.2 扑翼机构的运动尺度综合..35
4.2.1 扑翼机构方案确定.36
4.2.2 构件尺寸确定37
4.3 按解析法设计急回特性的扑翼机构..37
4.3.1 扑翼机构设计37
4.3.2 扑翼机构分析42
4.4 扑翼机构建模.46
4.4.1 零件三维建模46
4.4.2 零件装配与运动仿真47
4.5 本章小结49
第5章结论与展望50
5.1 结论..50
5.2 展望..50
参考文献..52
攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研情况.56
一、攻读硕士学位期间发表的论文..56
二、攻读硕士学位期间参加的科研情况56
致谢57
IV南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论
第 1 章绪论
1.1 引言
微型扑翼飞行器Flapping-wing micro aerial vehicles以其优良的机动性、低噪
音、低成本、携带方便、操作简单、可执行多种任务等功能,不论在军用还是民
[1]
用领域都具有十分重要、极其广泛的用途。

在军用领域:可以在士兵班里进行
装配;可以在低空条件下进行敌情侦察及监视;可用在战争中进行危险评估、目
标搜索、通讯干扰等;可通过摄像机等进行红外或热成像侦察敌军建筑物内部的
情况,监测化学、核或生物武器等。

在民用领域:可以在微型飞行器上配置相应
的传感器,用来搜寻灾难或战后的幸存者、检测危险建筑物内部是否存在有毒气
体或危险化学物质源、减轻人力消灭农作物害虫等。

因为其有着成本低、质量轻、
体积小、隐蔽性好等优点,可以完成许多大型飞行器、机械设备和人工无法
完成
的任务。

生物在经历了长期的进化过程之后,自然界的各种鸟类和昆虫们普遍采用了扑翼这种优异的飞行方式。

随着科技的发展,仿生学成为了一门新兴的学科。

所
[2,3]
谓仿生学就是一门模仿生物的特殊本领,利用生物的特殊结构和优异功能来
研制机械或各种新技术的学科。

根据仿生学和空气动力学方面的研究表明,对于
与鸟类和昆虫有着相似大小尺寸的微型飞行器,扑翼飞行相比于固定翼飞行和旋
翼飞行有着无法替代的性能和优势。

它用较少的能量就可以进行长时间长距离的
[4]
飞行、加速或者悬停等动作,具有高度的机动性及灵活性。

仿生微型扑翼飞行
器模仿鸟类和昆虫,是一种新型的飞行器,基于这种原理设计制造的飞行微机器
[5]
人也被称之为“人工昆虫”。

[6]
扑翼的飞行方式与飞行机理较之于固定翼和旋翼要复杂很多。

近几十年
来,许多国家的科研机构和一些大学都致力于仿昆虫微型扑翼飞行器的研究,这
些研究在某些方面取得了一定的成果,但是总体而言这些研究仍然处于初级阶
段,人们还不能完全掌握飞行昆虫的飞行机理,因而缺乏相应的理论指导。

对于
目前仿生微型扑翼飞行器的研究可以说还只是处于探索其飞行机理的阶段,由于
1 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论
其尺寸小,飞行速度低,雷诺数小等特点,不能用常规的大型飞行器的定常流理
论来对其飞行机理进行研究。

要成功地将微型扑翼飞行器应用于实际生活,还有
许多的困难需要克服。

对于微型扑翼飞行器的研究,具有重要的理论意义和实际
应用价值。

1.2 微型扑翼飞行器的研究现状及分析
微型飞行器 MAV(Micro Aerial Vehicles)最早是从固定翼飞行研究开始的, 固定翼飞行器靠的是空气对机翼的作用力产生压力差实现升降,靠动力装置实现
前进的。

1992年美国国防预研计划局(DARPA, Defense Advanced Research
Project
[7]
Agency)在一个关于未来军事技术的研讨会上提出了微型飞行器的概念。

微型
飞行器按照产生升力和推力的方式不同,可分为三种类型:固定翼(fixed-wing)
微型飞行器、旋转翼(rotating-wing)微型飞行器、扑翼(flapping-wing)微型飞
行器。

固定翼微型飞行器与现在常见的大型飞机在构造上相同,需要一个能产生
较大推力的动力装置使机翼产生升力并能维持其升降与前进;旋转翼微型飞行器
与现在常见的直升机在构造上相同,也称为微型直升飞机(Micro Helicopters),
该类飞行器主要利用螺旋桨与空气进行快速的周期性运动从而产生升力和推力;
扑翼微型飞行器主要是模拟鸟类或昆虫的构造与飞行方式,它能够像鸟类或昆虫
一样利用双翅的拍动产生升力和推力。

微型扑翼飞行器的概念是由美国国防预研计划局的麦克米切尔于 1997 年最
[8]
先提出来的。

他由昆虫和鸟类只利用双翅的扑动就能克服自身重力和阻力自由
飞行的原理,设想出一种可扑翼的微型飞行器。

这种类似昆虫和鸟类的飞行器由
翼的上下扑动产生升力与推力,能够完成低空下的低速飞行、具有一定的续航时
间、能够携带一定量的载荷。

与微型固定翼飞行器和旋翼飞行器相比,它的主要
[9]
特点是将升力、悬停和推力等功能集中于扑翼系统。

因为它具有极高的机动性
和灵活性,在执行军事侦察等任务时将更具优势。

[10]
微型扑翼飞行器的各项尺寸指标要求 :翼展不超过 15cm(6 英寸),重
量为 10g~100g,飞行时间即续航时间为 20~60min,飞行速度为 30~60km/h,飞
6
行距离为 1-10km,能自主飞行,可携带负载 20g,飞行雷诺数在 10 以下等。

对
于微型飞行器的设计还需满足以下几点:
1、在制作成本上要低,可以作为一次性使用的装备。

2、能够准确的进行定位,并反馈回准确的执行任务所在地的地理位置。

2 南
昌航空大学硕士学位论文第一章绪论
3、能够携带一定重量的机载设备,进行有效的侦查反馈等。

4、重量轻、体积小且坚固耐用,便于携带。

5、具有很好的隐蔽性,在执行任务的时候不易被敌人发现。

1.2.1 国外研究现状
从微型扑翼飞行器的概念提出以来,比较大型的扑翼机及其有关空气动力学方面的研究逐渐成为各大研究机构的研究热点。

由于微扑翼机的种种优良性能和
使用价值,在 DARPA的资助下一些国外的研究机构,近年来对于其有关的研究
取得了一定意义上的成果。

目前美国在这方面的研究总体上处于世界比较领先的
水平。

较典型的微型扑翼飞行器有加利福尼亚理工学院研制的“Microbat”和斯
坦福研究中心(SRI)研制的“Mentor”。

其次还有美国乔治亚理工学院的
“Entomopter”微型扑翼飞行器、荷兰 Delft 大学的“Delfly”微型扑翼飞行器和
以色列航空工业公司的“机械蝴蝶”等。

[11,12]
1 Microbat 微型扑翼飞行器
加州理工学院与 Aero Vironment 公司等单位共同研制的“Microbat”微型扑
翼飞行器是最早的电动微型扑翼飞行器,如图 1-1所示。

它是一种仿生飞行方式
的微型扑翼飞行器,它机翼的形状是模仿昆虫的翅膀,用微型机电系统 MEMS (Micro Electro Mechanical System)技术加工制作成的。

它通过微传动机构将微
电机的能量转变为扑翼机构的扑动,从而产生升力与推力并克服自身重力与阻力
飞行。

该机目前有四种不同的原理样机,首架持续飞行了 9s;第二架以可充式镍
电池为动力源,持续飞行了 22s;第三架原型机增加了无线电遥控设备,持续飞
行了6min17s;通过进一步的改进,第四架原型机巡航时间达到了22min45s。

“Microbat”翼展只有 23cm,重仅 14g,扑翼频率为 20Hz 左右,该飞行器可携
带一台微型摄像机。

[13]
2 Mentor微型扑翼飞行器
“Mentor”微型扑翼飞行器是由多伦多大学和美国斯坦福研究中心(SRI) 合作研究的,如图 1-2所示。

它的最大翼展在 15cm 左右,重约 50g,它有四片机
翼,机翼由一种电致伸缩的聚合物人造肌肉EPAM(Electrostrictive
Polymer
Actuated Muscle)驱动。

3 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论
图 1-1 Microbat微型扑翼飞行器图 1-2 Mentor微型扑翼飞行器
[14,15]
3 Entomopter微型扑翼飞行器
“Entomopter”微型扑翼飞行器是由美国乔治亚理工学院(GTRI)、英国剑桥大学和 ETS 实验室共同研制的,重 50g,有效载荷 10g,它的动力装置是基于
一种往复式化学肌肉 RCM(Reciprocating Chemical Muscle)技术的微型仿生扑
翼飞行器,如图 1-3所示。

往复式化学肌肉主要的特点是结构紧凑,能量转换效
率高。

该飞行器的机翼类似于蝴蝶的翅膀,其尾部装有天线用于增加平衡;腿可
以使其着地和移动,还可存放飞行所需的燃料。

它的翼展为 10in,翅膀扑动频率
为 10Hz,机翼的扑动是自主、均衡、不受控制的,可实现悬停。

图 1-3 Entomopter微型扑翼飞行器图 1-4 Delfly微型扑翼飞行器
[16]
4 Delfly微型扑翼飞行器
荷兰的 Delft 大学研制的“Delfly”微型扑翼飞行器,它的外观看起来像一
只大蜻蜓,其机翼由两对翅膀组合而成,如图 1-4 所示。

其质量为 17g,具有X
翼结构和 V型尾翼,可以自由越过障碍物并进行慢飞,它的翼展 35cm,根弦12cm。

它的动力装置是 3.7V的锂电池,以 1.8m/s 的速度飞行了 12min。

4 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论
[17]
5 “机械蝴蝶”
“机械蝴蝶”由以色列航空工业公司的微型机器人实验室研制而成,它是一款新型机器昆虫,如图 1-5 所示。

“机械蝴蝶”翼展 20cm,重 12g,它的机载设
备有发动机、传感器、通讯系统及转向系统,它可以模拟蝴蝶上下拍动翅膀推动
其前进。

图 1-5 机械蝴蝶
1.2.2 国内研究现状
与国外相比,国内在仿生微型扑翼飞行器的研究方面起步较晚。

由于微型扑翼飞行器应用前景广泛、使用价值高,微型扑翼飞行器的研究在国内也成为了热
门话题。

在国内,主要有西北工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学、
清华大学等机构正在进行有关仿生微型扑翼飞行器方面的研究,虽然取得了
一些
成果,但与国外相比还是有一定的差距。

[18,19]
由南京航空航天大学昂海松指导,设计制作的“黄莺”微小型可控扑翼
飞行器,如图 1-6 所示。

翼展为 24cm,重量为 38g,能在空中飞行 6min,飞行
高度可达 50m,可遥控飞行的航程达 2000m,由自行研制的重量不到 1g 的超微
型无芯舵机控制。

具有噪声小、飞行稳定、控制灵活等优点。

[20,21,22]
西北工业大学的方宗德等人,以鸟类的飞行参数为基础进行统计分
析,拟合出了仿鸟扑翼飞行的公式,并根据这些公式对仿生微扑翼飞行进行了初
步设计,最后制作出了仿鸟微扑翼飞行器样机,如图 1-7所示。

全机重约16.5g,
翼展 230mm,扑翼频率 10.5Hz,可自由飞行 15~21s。

该机的驱动机构采用的是
聚合物锂电池和微型直流电动机驱动,它的机架采用的是碳纤维,机翼采用的是
聚酯薄膜柔性机翼。

5 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论
图 1-6 南航大“黄莺”微扑翼飞行器图 1-7 西工大微扑翼机样机
[23,24]
西北工业大学的高广林等人研制的 ASN-211 自主飞行微型扑翼飞行
器,如图 1-8所示。

全机仅重 220g,翼展为 600mm,最大飞行速度可达6m/s-10m/s,
飞行高度达 20m-200m。

它的驱动方式采用的是电池供电,该机实现了一定量的
负载,在它的机腹下方载有微型摄影机。

该飞行器主要用于侦察,在同类型的研
究中,ASN-211处于比较领先的水平,已经实现了自主起飞、自主航行,具有较强的抗风能力,并且已经完成了搜救登山遇险者的工作、城市交通执勤管理工
作和机场驱鸟等任务。

图 1-8 西工大 ASN-211扑翼机
总的来说,国内在研究微型扑翼飞行器方面主要存在着续航时间短(如“黄莺”)或体积相对较大(如“ASN-211”)等方面的问题。

“ASN-211”虽然完成了许多任务,但是因为其体积相对较大,用于军事方面目标较为明显。

如何微
小化,以及利用较少的动力提供较大的升力显得尤为重要。

6 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论
1.3 本文的研究目的及意义
1.3.1 微型扑翼飞行器的研究目的
微型扑翼飞行器的研究是一项高、精、尖,且涉及学科较多的研究项目,包括:空气动力学、材料学、微机械电子系统、新型传感器、新型通讯系统和
信号
[25]
系统、微型制动器、微型高密度能源等。

要成功地将其应用于实践,还需要克
服很多的困难。

它是当前国内外研究的一个热点问题,其在国防、军事、民用领
域有着固定翼飞行器和旋翼飞行器无可比拟的优势。

对微扑翼飞行器的研究不仅
可以推动各门学科领域技术的进一步发展,还能为我国在国防、军事、民用等领
域做出突出的贡献。

此课题的研究目的旨在借鉴前人研究的成果基础上,对凤蝶的气动外形特性进行分析,对凤蝶的飞行机理进行重要的研究,并对相应尺寸的翼型进行建模、
气动流场计算等,确定翼型的选择和各尺寸参数在流体力学分析软件中可行后,
进行扑动机构的设计分析及运动仿真,为以后仿蝴蝶微扑翼飞行器的进一步发展
和实用化提供一些参考。

1.3.2 拟解决的技术问题
在对微型扑翼飞行器的研制过程中,涉及到许多技术性的问题,本论文针对在课题研究过程中遇到的部分技术问题进行分析与解决。

[26,27,28]
1、有关蝴蝶非定常空气动力学的飞行机理 :微型飞行器在空气动力学特性方面与常规飞行器有很大程度的不同。

常规飞
行器的雷诺数相对较高,其外形及气动力的设计已经趋于成熟,但是微型飞行器
5
的飞行时速较低,故其飞行雷诺数也较低,只有 2×10 左右。

对于昆虫而言,其
2 4
翅膀运动的雷诺数更小,只有 10 ~10 ,有的昆虫雷诺数甚至为 10的量级。

微型
扑翼飞行器主要利用了非定常气动力和高升力机制。

由于其尺寸小,飞行速度低,
[29,30,31]
雷诺数小,因此不能用常规飞行器的定常流理论来对其进行研究和试验 , 且有关蝴蝶的飞行机理的研究相对较少。

本论文通过流体力学软件对仿蝴蝶翼型
周围的流场进行了模拟和数值计算,得出了有关其飞行机理的结论。

[32,33]
2、有关扑翼机构的设计分析与仿真 :7 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论
目前一些文献资料中所设计的扑动机构有曲柄滑块机构,凸轮弹簧机构、单曲柄双摇杆机构等,这些机构都存在一些问题,不是质量较重就是存在扑翼
角差,
或者设计加工较为复杂。

要设计出一种质量较轻、尺寸较小、且结构简单的扑翼
机构就显得特别重要了。

本论文在以平面四杆机构的运动原理基础上,以解析法
设计急回特性的扑翼机构,这是一种新型的设计方法,设计出了一种齿轮减速装
置的曲柄摇杆扑翼机构,该机构在结构上和运动上左右完全对称并且制作简单,
运动分析和仿真结果可靠。

1.4 本文的内容安排
本论文将在借鉴国内外已有的研究成果的基础上,对于自然界中蝴蝶的飞行机理进行研究,借助于软件和三维测试仪器建立蝴蝶翼的动力学模型,用空气动
力学的理论对其进行动力学的计算,并进行初步的结构设计及机构分析,根据分
析结果建立模型并仿真试验。

主要研究内容如下:
第 1章:绪论,本章主要介绍了国内外微型扑翼飞行器的发展现状及研究背景。

它与传统的飞行器不同,涉及的研究领域非常复杂。

第 2章:从昆虫的飞行方式及翅膀的扑动模式入手,分析了一些昆虫以及蝴蝶的低雷诺数飞行机理,为仿生扑翼机的设计提供了理论依据。

以凤蝶为例,对
翅翼的三维形态进行测量及形态结构研究,并对其运动进行分析,为建立仿蝴蝶
翼型及扑翼机构提供数据。

第 3章:建立仿蝴蝶翼型的二维流场分析装置,用得到的尺寸参数和运动参数建立翼型,在软件下数值模拟出翼型在不同状态下的空气动力学特性,进行动
力学仿真、测试,试验其可行性。

第 4章:扑翼机构的设计与建模分析。

本章介绍并比较了几种类型的扑翼机构,在以平面四杆机构运动原理的基础上,以解析法设计急回特性的扑翼机构,
并对机构进行运动分析,接着根据运动分析结果在三维软件 solidworks 中建立了
扑翼机构的三维模型及仿真分析。

第 5章:结论和展望,对本论文研究工作的总结,并对未来研究工作的展望。

8 南昌航空大学硕士学位论文第 2章昆虫扑翼飞行原理及蝴蝶翅形态结构
第 2 章昆虫扑翼飞行原理及蝴蝶翅形态结构
昆虫的是如何利用非定常空气动力学克服阻力及自身重力来获得高升力
的?昆虫是怎样控制飞行动作来达到高超的飞行技巧的?近年的研究表明,昆虫
在拍动翅膀时产生的非定常升力是定常升力的 2~3 倍,足够克服昆虫的自身重
量,并且还有足够的余量来进行自由飞行。

在大量低雷诺数流场下的扑翼研究中,
升力及推力产生的主要原因是有涡的生成。

2.1 昆虫扑翼飞行原理
2.1.1 雷诺数
对于昆虫在低速条件下的飞行机理研究需要对雷诺数有一定的理解。

在粘性不可压缩流体的运动中,起主要作用的是惯性力和粘性力,表征这两个力之间关
[34]
系的特征参数即是雷诺数 ,记作 Re。

雷诺数的定义如下:
VL
Re (2-1)
n
式中:V??截面的平均速度;
L??流场的特征长度;
n ??流体的运动粘度。

雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。

雷诺数小表示粘性力的影响较为明显,大则表示惯性力的影响较为明显。

雷诺数很小的流动,其粘性影
响遍及整个流场。

雷诺数很大的流动,其粘性只影响物面附近的边界层或尾迹。

对于昆虫的飞行而言,它周围的流场属于雷诺数很小的流动。

雷诺数的大小
对粘
性流体的流动特性起着决定性的作用。

对于流体的惯性力与粘性力可忽略的流动
称之为低雷诺数流动。

各阶段雷诺数下的效果示意图,如图 2-1所示。

蝴蝶在扑翼飞行的过程中,飞行速度很小,翅膀拍动频率低,粘性力占主要地位,主要依靠的是非定常空气动力学来完成飞行等动作,因此蝴蝶的飞行雷诺
9 南昌航空大学硕士学位论文第 2章昆虫扑翼飞行原理及蝴蝶翅形态结构
数很低。

图 2-1 雷诺数效果图
[34]
几种典型雷诺数 :普通的航空飞机:5 000 000;小型无人机:400 000;
海鸥:100 000;滑翔蝴蝶:7000。

2.1.2 昆虫的飞行机理
对于像昆虫这类飞行雷诺数较低生物的飞行机理的研究,首先需要了解定常流动与非定常流动。

非定常流动被定义为流体的流动状态随时间的改变而改变的
[35]
流动,反之则为定常流动。

非定常流动常见于大部分流体的流动。

非定常流动根据流体流动随时间变化的速率划分可以分为三大类:流动随时
间变化的速率极慢;流动随时间变化的速率很快;流动随时间变化的速率极快。

第一类流动又称为准定常流动,这种流动可忽略加速度的效应。

随着时间的变化,流场中任意一点的平均速度逐渐增加或减小。

例如水库的排灌便是准定常
流动。

第二类流动需要考虑加速度的效应。

例如:活塞式水泵或真空泵所造成的流动,飞行器与空气之间的流动、船舶与水之间的流动。

第三类流动中流体的弹性力起着非常重要的作用。

例如:水管的阀门瞬间关闭,会产生较大的振动与声响,即所谓的水击现象。

这是因为阀门突然关闭的刹
那间,流体在整个流场中不会马上完全静止下来,压强与速度的变化以压力波(或
者激波)的形式从阀门向上游传播。

不仅仅在水流中会发生这种现象,在其他任
10 南昌航空大学硕士学位论文第 2章昆虫扑翼飞行原理及蝴蝶翅形态结构
何流体中也会发生此种现象。

空气中的核爆炸也会发生这种类似现象。

扑翼流场属于一种速度变化很快的流动,鸟类和昆虫飞行时的流场便属于非定常流动。

近年来,不少学者及科研机构对自然界中不同种类、不同翼型昆虫的飞行机理进行了相关的研究,他们的研究主要集中于以下几个方面:。