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 inct flight

principle, has

the advantage of small volume, light weight, good stealth ability,

etc., is widely ud

in military and civil fields. Papilio is chon to rearch the

flapping wing flight and

flight mechanism in this paper. The parametric language is ud to

constructed

butterfly wing model to carry on motion analysis and the design of

the

flapping-wing mechanism1 Rearched 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 bad

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,

rearch on hydrodynamic performance of airfoil. Fluid simulation

results show:

eddy current is the main cau of high lift; in the large span, the

low frequency

,

flutter premi, flapping amplitude is proportional to lift and

thrust s generated3Bad on the analytical method design the plane

four-bar linkage, using

quick-return characteristics to design flapping-wing mechanism, and

make motion

analys. Established the three-dimensional model of the flapping

wing, and made

motion simulation on solidworks software. The rearch 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

3.4 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

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, Defen Advanced Rearch

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:

1、对昆虫自由飞行时翅膀及身体的运动进行观察,主要的方法是用高速摄

像机对飞行昆虫进行拍摄观察,或用非接触三维测定装置来测得昆虫翅膀的

翼型

[36]

弦长、飞行时的拍打频率、翅的攻角等参数 。此种方法将在本论文之后的

研究

中用到。

2、将所要研究昆虫的翅膀放置于相应的风洞中进行风洞实验,测量其气动

[37,38]

力学特性 。

3、建立相应昆虫的翅膀模型,进行网格划分,通过求解 N-S 方程数值模拟,

[39,40,41]

获取翅膀运动时的各种物理参数等 。

2 4

昆虫飞行时翅膀运动的雷诺数很小,大约只有 10 -10 ,有的昆虫飞行雷诺

数甚至为 10 的量级。在对扑翼飞行机理研究的初期阶段,有试验者用与固

定翼

[42]

飞行相同的方式,将果蝇的翅膀在定常流风洞下进行了相关的实验 ,结果表

明:

在这个较低雷诺数范围内,翅膀产生的升力很低。当改变果蝇翅膀的攻角为

10°

时,升力系数 C 只有约 0.23,最大也只有 0.60。在这种实验条件下,果蝇翅

膀

L

产生的升力远远比它的重力要小,更何谈飞行了。很显然,昆虫是利用非定常

流

来产生高升力的而不是定常流。

[29]

1973年,Weis-Fogh 在对台湾小黄蜂(Encarsia Formosa)的飞翔运动研究

中,提出了“Clap and Fling”机构,这种产生升力的机制与鸟类通过振动翅

膀运

动来产生升力的机理完全不同,它是瞬时产生高升力的。在翅膀每一次下拍

前,

两翅先在背部“合拢”(clap),然后快速“打开”(fling),如图 2-2 所示。

当两

翅面打开到一定程度时,翅面会彻底分开,接着分别继续作平动。因为小黄蜂

翅

膀飞行的雷诺数只有 20左右,Weis-Fogh得出的结论是:昆虫产生高升力主

要是

Clap-Fling机制。

[42]

1996年,Ellington 等人采用活的昆虫做吊飞实验,在这一实验研究中,他

们用高速摄像机记录了飞蛾翅膀在扑动过程中气流的形成以及变化情况。昆

虫翅

膀在扑动时,它的攻角远远大于临界失速攻角,此时用常规空气动力学无法

解释

这种情况。Ellington 得出的结论是:飞蛾翅膀在运动过程中能产生较大的

升力是

因为存在延迟失速,称为“不失速机制”。11 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

图 2-2 Clap-Fling 机制

尾迹捕获机制Wake capture,所谓的尾迹捕获即翅膀在上扑运动与下扑运动

的转换阶段,翅膀以相反的方向遇到前一阶段产生的气流,如图 2-3所示。

这种

气流干涉提高了翅膀与空气间的相对运动速度,并为翅膀增加了额外的动

力。

图 2-3 尾迹捕获机制

翻转效应机制Rotational effect,翅膀在平动时还可以绕翼展方向的轴线

旋

转,即翻转效应,如图2-4所示。翻转效应发生在上扑和下扑运动的转换阶

段。

旋转方向及旋转轴位置不同,都会对升力有影响。

旋转方向图 2-4 翻转效应机制

12 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

在对昆虫的飞行机理进行研究中,北京航空航天大学的孙茂等人对果蝇、熊

蜂、鹰蛾以及蜻蜓等昆虫飞行时的气动力、高升力机理进行了研究。他们主

要是

通过求解 N-S 方程和涡动力学理论,研究了模型昆虫翼在相应的软件下作

非定常

运动时的气动力特性,并获得相应的流场,解释了昆虫产生高升力的机理。他

们

认为昆虫翅拍动时形成高升力有三个机制:一是翅的快速加速效应;二是快

速上

[26,27]

仰效应;三是不失速涡环机制 。

2.1.3 蝴蝶的飞行机理

对于像蝴蝶这类大翼展昆虫在自由飞行时,有关非定常流运动的飞行机理研

究相对较少,科研人员对于蝴蝶飞行的空气动力学原理还有待深入的研究、

了解。

蝴蝶与其它昆虫不同,它的翼展相对较大,翅膀在运动过程中没有明显的翻

转运

动,但是身体的俯仰运动却很明显。蝴蝶在自由飞行时翅膀的拍动频率较低,

只

有 10Hz 左右,翅的展弦比也只有 1.5左右。

[43]

牛津大学的 Srygley 和 Thomas 训练红色将军蝶在风洞中自由飞行,他们

对其进行了烟流显示实验,研究了它翼面上的绕流流场。研究表明:红色将军

蝶

在需要高升力的情况下,采用前缘涡机制、Clap-Fling 机制和旋转机制,而

在稳

[44]

定平飞时却不使用这些机制。日本金泽大学的 Kei 等人利用拉格朗日法对

简化

的蝴蝶模型采用布涡的方法计算气动力,并对模型扑翼运动时的气动力进行

实验

测量,证实了这种数学模型是有效的。

[45]

胡烨 等人用氢气泡流动显示的方法对天堂鸟翼凤蝶简化模型进行了绕流

结构特征及其随迎角不同的变化规律的研究,他们观测到一种倒八字型的前

缘涡

结构,这种结构是一种新的流场流动现象,并且是其产生高升力的机理。

[46]

根据孙茂 等人对一种蝴蝶(Morpho peleides)飞行的气动力特性进行了研

究,研究表明:蝴蝶在拍翅飞行时主要依靠的是“阻力原理”,由翅膀运动产

生

的阻力来提供平衡身体重力的升力,并且克服身体的阻力产生推力。蝴蝶翅

膀在

下拍过程中会有一个很大的瞬态阻力产生:翅膀在每次下拍中会产生一个

“涡

环”,该“涡环”由前缘涡,翅端涡及起动涡构成,这些涡主要产生翅膀的阻

力

提供升力;翅膀上拍时,翅膀也会产生阻力,该阻力比下拍时小很多。因此,

翅

膀下拍产生的阻力主要用于平衡身体重量的升力,翅膀上拍中产生的阻力主

要用

于平衡身体的推力。

不同的昆虫,有着不同的翼面形状、运动飞行时翅膀周围流场的雷诺数也不

13 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

同,但是有一点可以确定,它们产生高升力的机制均是由非定常流来产生的。

昆

虫在自由飞行时,翅膀存在着拍打、摆动和扭转运动,有的昆虫不需要身体尾

部

来控制整个身体的姿态,因此昆虫在飞行时翅膀的运动是翅膀平面绕不同轴

的简

单运动的合成,这种复杂的平面合成运动以及非定常空气动力,使得昆虫翅

膀在

飞行的过程中产生了高升力。

2.2 蝴蝶翅的形态结构

目前有关微型扑翼飞行器的研究大多数采用类似于昆虫的翅膀结构,但是却

将昆虫翅膀的结构大大简化,远没有昆虫翅膀那样复杂。近年来,各大研究机

构

和高校对微型扑翼飞行器进行研究,并取得了一些成果,但是对翅膀细微形

态和

结构方面的研究和认识还有待深入。

2.2.1 蝴蝶翅气动外形特质

自然界的飞行生物绝大多数都是采用扑翼的飞行方式飞行,而飞行能够产生

升力的主要结构就是翅膀。不同的飞行生物其翅膀也存在着较大的差异,鸟

类的

翅膀由肌肉、骨骼和羽毛组成,蝙蝠的翅膀由骨骼和翅膜组成,而昆虫的翅膀

由

翅脉和翅膜组成。昆虫的翅膀富有弹性,薄且轻,并且拍打频率也较高。昆虫

的

翅膀是自然界材料中结构最轻盈的一种,约为自身重力的 1%。

蝴蝶的翅膀不像鸟类的翅膀那样具有骨骼肌肉,可以增强其灵活运动,也不

能像蜜蜂蜻蜓那样可以进行高频率的拍翅震动。它在飞行过程中产生的不稳

定空

气流动弱于鸟类和高频振翅的昆虫,因此,它与大鸟及高频振翅昆虫的飞行

原理

是截然不同的。

有的如蜜蜂等小翼展昆虫的飞行进行的是较高频率的扑翼运动,有的如蝴蝶

等大翼展昆虫的飞行进行的是较低频率的扑翼运动。与高频率扑翼运动的昆

虫不

同,蝴蝶在自由飞行过程中翅膀并没有明显的翻转运动,但是其身体却有显

著的

俯仰运动。蝴蝶在自由飞行过程中,翅的拍打频率较低,只有 10Hz 左右,翅

的

[47]

展弦比较小,只有 1.5左右。Dudley 对几十种蝴蝶在自由飞行过程中进行

了观

测与实验,通过观察他发现:蝴蝶在飞行过程中,它的前、后翅重叠成一个整

体,

很少分开。14 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

2.2.2 蝴蝶翅三维形状测量

自然界中蝴蝶的种类比较繁多,全世界大约有 14000余种,最大的蝴蝶翼展

达到了 24cm,最小的只有 1.6cm。不同种类的蝴蝶,其翅膀形状也是千差万

别的。

本文根据有关蝴蝶的飞行视频以及科研人员的相关研究,提取出对本文有用

的运动参数和其它尺寸参数,并进行相关的归纳总结及分析。以凤蝶为例,

根据

高频摄像机下对自由飞行的凤蝶进行跟踪拍摄的视频,由拍摄到的凤蝶照片,

利

用 matlab 软件的图像处理功能,提取凤蝶的外形轮廓。该方法简单快捷,

省却

了手工测量的繁琐且精度高。凤蝶模型的外形轮廓,如图 2-5所示。用三维

测量

工具测得凤蝶翅翼展、翅长、翅厚等的参数,如表 2-1所示。

图 2-5 凤蝶翅外形轮廓

表 2-1 凤蝶翅翼展参数

L 身体长度(mm) 38

b

D 身体直径(mm) 6

H 翅根长度(mm) 18

w

L 单翅展长度(mm) 55

w

C 几何平均弦长(mm) 39.3

A 展弦比(L /C) 1.4

r w

T 翅的平均厚度 mm 0.415 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

经过凤蝶飞行视频的观察可知,凤蝶在飞行过程中不仅依赖翅的扑动,而且

在一定条件下利用滑翔的方式进行飞行。

2.2.3 自由飞行时蝴蝶翅形态结构

对凤蝶自由飞行的观察中可以得出:与其它小翼展、高频率扑翼运动的昆虫

不同,凤蝶的翅膀在拍动过程中没有明显的翻转运动,但是它的身体在飞行

过程

中却有显著的俯仰运动。图 2-6为凤蝶翅翼的上拍和下拍运动过程中的某

一瞬间。

在高速摄像机下,凤蝶飞行双翅扑动频率低、角度大,由于其腹部较长,会有

一

定程度的弯曲,因此它主要由腹部的振动来控制攻角。自由飞行时,凤蝶的双

翅

上下拍动,在上拍的过程中,腹部与翅之间的攻角逐渐增大。

a 翅翼上拍运动 b 翅翼下拍运动

图 2-6 凤蝶翅翼上拍和下扑运动在高频摄像机下可以观察并计算得到凤蝶

在自由飞行时,双翅的扑动频率较

低,约为 10Hz,拍动角度较大(上拍约 60°,下拍约-30°),由腹部的振动来

实

现对攻角的控制(腹部振动角约为-15°~20°)。凤蝶前、后翅在飞行中一般

都是重

叠在一起的,组成一个整体。因为凤蝶的翅膀在飞行过程中只有拍打,没有明

显

的翻转,故设定单翅的扑翼自由度为 1。

凤蝶在飞行过程中翅翼的运动,可分为两个分运动的合成。建立一个空间坐

标系,即沿 X轴负方向的平动(平动速度为 v)和绕 X轴的上下扑动(扑动范

围

为-30°~60°)。腹部的运动为沿 Y 轴的往复转动(转动范围为-15°

~20°)。建立的

双翅拍动和腹部振动示意图如图 2-7所示。Φ 为双翅拍动角,β 为腹部振

动角,v

为前飞速度。16 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

图 2-7 蝴蝶运动示意图

凤蝶运动时,身体的振动与翅膀的拍动同时进行相互影响,因此在对凤蝶的

飞行问题进行研究时,既要考虑翅的拍动,同时也要考虑身体的振动。

2.3 蝴蝶翅微观形态

蝴蝶的翅膀由翅脉和翅膜组成。翅脉包括沿翅膀展向向外伸展的纵脉和把纵

脉连接起来的横脉,如图 2-8所示。

图 2-8 蝴蝶翅脉

纵脉一般是管状结构,管内含有充满空气的血管,具有较大的刚度。横脉比

纵脉细,结构与纵脉相同。这些翅脉如同人类或动物的骨架一般,起着支撑与

加

17 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

固的作用,并且还能实现扭转,改变方向。翅膜一般是面片状的薄膜结构,填

充

在纵脉与横脉围成的区域之间,具有较大的柔性。蝴蝶为了改变飞行速度、

方向、

姿态,需要通过改变翅的形态来实现。蝴蝶翅的形态与构造也是影响其升力

产生

的因素之一。对蝴蝶翅形态的研究可以为仿生扑翼飞行器在制作材料及形态

结构

方面做一定的参考。

2.3.1 翅的表观结构

用显微镜对蝴蝶翅的微观形态进行观察,可以看到,翅膀表面密密麻麻地排

列着许多像鱼鳞一样的鳞片,如图 2-9所示。在高倍显微镜下观察,这些鳞

片排

列的整整齐齐,在其基部有一小柄嵌入到翅膀上的凹窝里面。经研究表明,

这些

[48]

鳞片具有防水功能 。试验研究还发现,这些鳞片还能够增加蝴蝶飞行过程中

[49]

15%的升力 。

图 2-9 蝴蝶翅上的鳞片

对于蝴蝶的鳞片,它的下表面没有特殊结构,但是其内部和上表面的结构比

较复杂。蝴蝶由于种类的不同,翅膀上覆盖的鳞片颜色也各不相同,因此翅膀

的

颜色也会千差万别。蝴蝶颜色各异的翅膀,成了它们的保护伞,它可以用来迷

惑

敌人,躲避攻击。对于鳞片颜色的研究,可以为将来仿生扑翼飞行器在隐身军

事

侦察等方面的研究提供一定意义上的参考价值。

用手触摸蝴蝶翅膀的表面,可以感觉到有一层细细滑滑的粉末状物质,这些

粉末状物质对于蝴蝶具有一定的保护作用。这些粉末容易脱落,也可以不断

补充。

当蝴蝶遇到危险,如撞上蜘蛛网时,这些粉末会大量地脱落,并将蛛丝上的粘

液

裹住,就可以逃脱了。这些粉末还有一个重要的作用就是防水,这也是蝴蝶在

雨

18 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

天也能自由飞行的原因。这些粉末如果研制成功并应用在仿生翼上,就能够

解决

目前的仿生扑翼飞行器在雨天等环境较恶劣的情况下无法执行任务的问题。

2.3.2 翅的断面结构

将蝴蝶翅剖开用高倍显微镜可以观察到翅膀断面的结构形状,翅断面显示出

无规则的波纹状结构,如图2-10所示。翅膀的横脉位于波峰处将纵脉连接为

一体,

形成了一个整体结构。很显然,这种结构只需要最少的材料便能够达到最大

的强

度,并且使得翅膀有最大的强度来承受飞行过程中气动力给翅膀带来的各种

扭矩

和弯矩。翅脉在沿着翅展方向向外延伸的同时沿着翅弦方向向后逐渐变细,

在接

近翅后外边缘处便无翅脉而只有翅膜了,这样便使整个翅膀具有较好的柔性,

适

合提高飞行过程中的升力。

图 2-10 蝴蝶翅断面

因此,对于蝴蝶翅的微观形态研究以及翅的微小形态结构特点分析,能很好

的把握今后仿生翼的研究方向,以便制作出柔性韧性更好、质量更轻、具有

隐身

特点及自我保护功能的仿生翼,该翼可以不受天气环境的变化,如雨天或刮

风等

气流环境对仿生扑翼飞行器在自由飞行、执行任务中的影响。

2.4 本章小结

本章主要归纳总结了昆虫的飞行机理,不同雷诺数下流动流体的不同形状,

然后对蝴蝶翅的气动外形进行了分析。以凤蝶为例,根据高频摄像机拍摄到

的凤

蝶照片,利用 matlab 软件捕捉凤蝶的外形轮廓,得到凤蝶模型的外形轮廓,

并

19 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

用三维测量工具大致测出凤蝶的各参数尺寸,以及对高速摄像机下凤蝶翅膀

和身

体的运动解析,为仿蝴蝶扑翼机的数值建模和机构建模提供了数据参考。最

后对

蝴蝶翅的微观形态进行了研究和分析,为以后仿生翼在材料及造型上的研究

把握

了方向。

20 南昌航空大学硕士学位论文 第 3 章 仿生扑翼模型的流场分析

第 3 章 仿生扑翼模型的流场分析

本章利用前一章所得到的凤蝶的各尺寸参数及运动参数,在计算流体力学软

件前处理器 GAMBIT 中建立仿蝴蝶翅翼的二维模型。利用 FLUENT 软件对翼

型

在不同攻角下的流场进行模拟分析,得出翼型升阻力系数及周围的流场。利

用动

网格技术对做正弦运动的翅翼模型的上下拍动进行数值模拟,对其周围的流

场进

行分析,得出有关其飞行原理的结论。

3.1 FLUENT软件简介

计算流体动力学(CFD-Computational Fluid Dynamics)是一门以流体动力学

与数值计算方法为基础的独立学科,它主要是通过计算机数值计算、然后用

图像

显示的方法,在时间和空间上定量描述流场的数值解,从而达到对物理问题

研究

[50]

的目的 。计算流体动力学通过利用计算机来实现特定的计算,比如机翼的绕

流问题等。通过计算机显示流场的各种细节、变化,可以大大减少通过传统

实验

验证需要的经费、人力、物力等的投入。

FLUENT软件是计算流