微型仿生扑翼飞行器是一种模仿昆虫或鸟类飞行方式的新型微型飞行器,具有高机动性、高隐蔽性、低能耗和可悬停等优点,在军事和民用领域均蕴含着巨大的应用前景。现阶段微型仿生扑翼飞行器的研制仍有待诸多关键技术的进步和发展,其中扑翼飞行气动机理的研究至关重要。至今人们对自然界飞行生物的飞行气动机理进行了大量的研究,为仿生扑翼气动设计提供了有益的指导,但关于扑动轨迹、运动学参数和柔性扑翼结构等诸多因素对悬停及前飞扑翼气动特性的影响机制尚不完全清楚。本文以微型仿生扑翼为研究对象,采用计算流体力学方法,对柔性和刚性扑翼模型在悬停及前飞过程中的气动特性开展了系统研究,旨在弄清翼型参数、翅尖轨迹、非对称扑动参数和翅翼的主被动柔性变形对扑翼气动力、能耗、以及飞行效率所产生的影响,为微型仿生扑翼飞行器研制过程中遇到的气动升力不足、飞行效率低等气动问题提供新的设计思路和有益的理论指导。首先,分析研究了翼型褶皱结构和几何参数对扑翼气动性能的影响。基于自然界中昆虫和鸟类翅膀的结构参数特点,通过建立并求解具有不同翼型几何参数的前飞扑翼数值计算模型,系统研究了不同来流速度条件下,翼型褶皱结构、翼型厚度以及翼型拱度对前飞扑翼气动力、飞行效率和流场结构的影响。结果表明相比翼型厚度和翼型拱度,翼型褶皱结构对前飞扑翼气动性能的影响较小。其次,系统分析了翅尖轨迹和非对称扑动参数对扑翼气动性能的影响。基于生物飞行中的实验观测结果,并参考扑翼样机实验和数值模拟中常用的扑翼运动模型,设计了直线轨迹、正/反椭圆轨迹、正/反八字形轨迹以及正/反双八字形轨迹共七种悬停轨迹样式。通过求解具有水平扑动平面的悬停扑翼数值模型,分析了各轨迹样式所对应的涡脱落机制和气动力变化规律。同时,基于蜻蜓、豆娘等昆虫飞行过程中存在的扑动参数非对称现象,建立了具有倾斜扑动平面的非对称悬停扑翼数值模型,系统研究了下扑和上挥行程时间非对称性、攻角非对称性以及时间和攻角耦合非对称性对悬停扑翼扑翼气动力、能耗和飞行效率影响规律。然后,分析研究了主动变形柔性扑翼的气动特性。在对飞行生物实验观测的基础上,通过对扑翼变形规律进行简化,分别建立了前飞弯曲变形扑翼数值模型和悬停拱形变形扑翼数值模型,系统研究了前飞状态下的主动弯曲变形柔性扑翼和悬停状态下的主动拱形变形柔性扑翼模型的气动特性。通过分析求解得到的扑翼气动力、能耗以及气动效率等参数随变形相位角、变形幅值等相关模型参数的变化情况,揭示了扑翼主动柔性变形对其悬停和前飞气动性能的影响规律,为智能变形扑翼飞行器的气动设计提供了设计思路。最后,分析研究了被动变形柔性扑翼的气动特性。考虑到自然界中飞行生物翅膀的柔性变形多为惯性力和气动力作用下的被动变形,根据昆虫翅翼弦向力学特性的分析结果,分别针对悬停扑翼和前飞扑翼建立了基于集中扭转特征和梁结构特征的被动柔性扑翼流固耦合计算模型,并利用弱耦合计算方法对这两种模型进行求解,系统分析了扑翼结构动力学参数即频率比和质量比对悬停和前飞扑翼气动性能的影响。分析表明适当的柔性变形可以同时提高扑翼推进效率和升力效率,而过度的柔性变形则会导致扑翼气动特性的急剧恶化。本文的研究成果不但丰富了扑翼飞行气动机理的研究,同时为扑翼飞行器翼型设计、运动参数设计以及柔性翅翼结构设计提供了分析依据和技术参考。