扑翼运动的非定常气动力的模拟与分析

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扑翼飞行是自然界飞行生物普遍采用的飞行模式,与固定翼和旋翼飞行模式相比,扑翼飞行仅依靠翼面的扑动即可同时产生升力和推力,具有飞行效率高,机动性好,结构紧凑的优点。扑翼飞行是一种低雷诺数非定常粘性流场,传统的适用于固定翼的稳态空气动力学原理已经不能适用。为了揭示扑翼飞行非定常空气动力学理论,本文从传统固定翼空气动力学理论出发,对扑翼飞行气动机理及其运动形式等进行了深入细致的研究。本文探讨了扑翼飞行的规律,分析和提炼鸟类和昆虫扑翼的形式和机制,总结了扑翼飞行对气动力影响的机理。以简谐运动近似模拟扑翼飞行的运动方程,针对扑翼非定常流场问题进行了数值模拟。通过对二维非定常气动力的变化过程的求解,结合Theodorsen理论非定常气动力计算公式,把CFD计算结果和Theodorsen理论计算结果进行了对比,验证了两种方法在非定常气动力计算上的有效性。为了进一步探寻鸟类扑翼运动的高升力机制,用CFD方法计算了扑翼在大迎角和复合运动条件下的非定常气动力。通过对几种不同形状翼型的扑翼动态流场的数值求解,建立了翼型气动力特性曲线,绘制了翼型流场压力云图,分析了翼型几何弯度和翼型厚度对气动性能的影响。进而利用该数值模拟方法对不同运动规律的翼型进行了流场求解,得到扑动频率、来流速度、扑动振幅等运动参数组合下的气动力特性,给出这些因素对扑翼飞行气动特性的影响规律。
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