流体力学课程论文

扑翼飞行机器人翅型和非定常涡格法计算研究1.引言

人类最古老的梦想之一就是能有翅膀自由飞行，扑翼飞行器正是这种想法的体现，其飞行机理来自于鸟和昆虫的飞行。

近年来随着MEMS等技术的发展，微型飞机(MAV )的研究越来越引起了人们的重视。微型飞行器概念起源于20世纪90年代初。由于其尺寸小、重量轻，在军用方面，微型飞行器主要用于低空侦察、通信电子干扰和对地面攻击等任务；在民用方面，微型飞行器可用于通信中继、环境研究、人道主义排雷、自然灾害的监视与救援。由此可见，微型飞行器在军用和民用方面具有非常广泛的应用前景。

由于微型扑翼飞机在气动力和稳定性方面的优势，现在国内外对微扑翼飞行的研究越来越多。目前国内外对扑翼飞行的研究多是从生物流体力学或仿生学的角度对鸟类和昆虫的飞行机理进行研究。由于翅膀扑动产生了非定常流动和涡，使得应用于固定翼飞机的常规空气动力学理论不适用。由于鸟翼和昆虫翼运动的复杂性，人们只能简单地模仿其运动来制造扑翼飞行器。根据果蝇扑翼模型的外形和运动学数据，通过解三维非定常N-S方程的方法，对昆虫翼的飞行机理进行了数值模拟，认为产生高升力有3个因素：(1)拍动开始阶段翅的快速加速运动，(2)拍动中的不失速机制，(3)拍动结束阶段翅的快速上仰运动；而非定常涡格法具有快速高效的特点，有利于气动—结构耦合计算思路的实施。

目前对扑翼飞行器的研究大多是研究其挥舞运动，即俯仰运动和身体的升降运动，没有考虑真正的扑动，如Jones等。对于扑翼飞行器的扑动，由于气流存在展向流动，二维分析可能不再适用。曾锐等采用了空间非定常涡格法分析了仿鸟微型扑翼的气动特性，计算结果跟实验结果在趋势上有一定程度的吻合。刘岚等采用ANSYS/CFD中的ALE单元

来求解三维N-S方程得到流场中每个时间步上各网格点的速度和压力，但计算条件和实验条件不一致，结果有待实验进一步验证；而且三维N-S方程对几何边界条件要求严格，目前只能处理刚性扑翼，对外形变化较大的扑翼的处理还需进一步研究。所以目前仍没有一种成熟的算法来计算扑翼飞行器的气动力，各种算法均处于探索当中。

2.仿生扑翼飞行器的特点

仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm 时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。

生物飞行能力和技巧的多样性多半来源于他们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。鸟类和昆虫的飞行表明，仿生扑翼飞行器在低速飞行时所需的功率要比普通飞机小的多，并且具有优异的垂直起落能力，但要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动模式，或是像蜻蜓等昆虫那样高频扑翅运动非常困难，设计仿生扑翼飞行器所遇到的控制技术、材料和结构方面等问题仍是一难题，但将这种概念用机械装置去实现，本身并不是决定性的，关键是在于人类要去不断的尝试。

仿生扑翼飞行器通常具有尺寸适中、便于携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点，因此在民用和国防领域有十分重要而广泛的应用，并能完成许多其他飞行器所无法执行的任务。它可以进行生化探测与环境监测，

进入生化禁区执行任务；可以对森林、草原和农田上的火灾、虫灾及空气污染等生态环境进行实时监测；可以进入人员不易进入地区，如地势险要战地，失火或出事故建筑物中等；特别在军事上，仿生扑翼飞行器可用于战场侦察、巡逻、突袭、信号干扰及进行城市作战等。

3.国内外研究情况

研究起步相对较晚，但国内科学家们始终关注着其发展动态，并也开始这方面的基础和应用研究工作。仿生学方面，张志涛等、曹雅忠等、程登发等、吴孔明和郭予元、彩万志等分别开展了生物飞行动力学、生理学、功能形态学等方面的研究。清华大学的曾理江等人重点进行了昆虫运动机理研究和应用以及有关昆虫运动参数的测量和分析，在此基础上建立了昆虫运动模型，研究了昆虫运动机理。北京航空航天大学的孙茂等人用Navier-Stokes方程数值解和涡动力学理论研究了模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性，解释了昆虫产生高升力的机理，在此基础上探索了微型飞行器的飞行原理，包括气动布局新概念、新控制方式、最大速度、允许重量、需要功率等问题。南京航空航天大学的昂海松等人通过非定常涡格法的计算分析了仿鸟复合振动的扑翼气动特性。赵亚博也就关键力学和智能材料问题进行了研究。上海交通大学正在研究翼展50～60mm的基于电磁和基于压电驱动的扑翼MAV方案。西北工业大学目前也正在研制微型扑翼飞行器，飞机采用聚合物锂电池和微型电动机驱动，碳纤维机架，柔性机翼，全机重量约15g，扑翼频率15~20Hz，由于受电池容量限制，飞行时间约8~18s。试验样机已经在低速风洞中进行了风洞试验。南京航空航天大学在2004年4月也研制成动了国内第一家能在空中悬浮飞行的扑翼飞行器。东南大学和扬州大学目前也已就仿生扑翼飞行机构的机理分析、扑翼飞行试验测试平台的建立等方面进行了联合攻关和探讨，并取得初步成效。总体而言，我国在这方面的研究和国外相比尚有一定差距，尤其在实践方面更是如此，可见

中国在仿生扑翼飞行器方面的研究可谓任重而道远。

4.运动学和力学模型

仿生扑翼飞行研究以模仿鸟和昆虫类扑翼运动为主，但昆虫和鸟类的翅膀不像飞机翼那样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构。按照传统的流体力学理论，他们无法有效地利用空气的升力和阻力，因而就很难起飞。但是他们翅膀在摆动过程中伴随着快速且多样性的运动，这会产生不同于周围大气的局部不稳定气流，这种非定常空气动力学效应是研究和理解昆虫、鸟类飞行的运动机理和空气动力学特性进而实现仿生飞行的重要基础。因此我们应在充分认识生物飞行非定常空气动力学及翅膀运动模式的基础上，提取精华并简化运用，以实现能有效地产生升力和推进力的仿生机构，达到实现仿生扑翼飞行的目的。

大多数昆虫翅膀运动不是简单拍动，而是拍动和转动的复合运动，在工程设计时拍动可通过单自由度机械机构实现，拍动和转动可通过双自由度机械机构实现。由昆虫模型翅膀实验和数值模拟结果可知，昆虫翅膀通过拍动时的前缘涡机制，能够产生足以维持自身重量的高升力，同时考虑到单自由度机构简单、尺寸重量小和容易实现等特点，重点对实现拍动的仿生翅进行研究，将其简称为拍式翅。昆虫飞行机理研究中提出下拍时产生的前缘涡大，上拍时产生的前缘涡小等只是定性分析而没有定量分析，即使目前已经研制的仿生扑翼飞行机器人中相关的理论分析也较少，因此在工程设计中没有具体的理论和经验公式能遵循，在一些合理假设的基础上，简化得到拍式翅运动学和气动力模型。