文档介绍：2003空气动力学前沿研究论文集昆虫悬停飞行的气动性能分析。余永亮童秉纲马晖扬(中国科学院研究生院物理系,北京100039) 陆步云() 摘要本文用理论模化的方法来分析昆虫悬停飞行中的气动性能。通过对拍翼运动中对称旋转模式的分析,不仅证实了孙茂教授等提出的关于高升力来源的3种作用机制(翼拍动初期的剧烈加速,拍动中期翼在大攻角下不失速,以及在拍动末期的翼快速上仰旋转),而且还得到以下3种流动控制机理:(1)附加惯性效应对变速运动的瞬时响应可产生瞬时的高气动力;(2)保持前缘涡在运动过程中不脱离平板将有助于减少升力的下降;(3)增大后缘涡的强度并加速其脱离后缘有利于提高有效气动力(升力)。气动功率的主要构成为平动功率,而转动功率比较小。关键词悬停飞行拍翼运动镘障气动模型气动性能 1引言悬停是绝大多数昆虫飞行所具有的基本本领。大多数双翅目昆虫(例如果蝇、蜜蜂等)悬停飞行时身体与水平面存在30。--60。的夹角,而翅膀的拍动平面几乎水平,拍动频率可高达几百赫兹。这类昆虫利用高频拍翼(flapping)获得了平衡身体重量的气动力,因此,对高频拍翼运动的研究也就成为揭示昆虫飞行机理的关键。针对昆虫(特别是小型昆虫)飞行处于低雷诺数范围且具有强非定常性的特点,我们ll o经过论证,对小型昆虫拍翼引起的强非定常低雷诺数流动提出了一个简化的气动模型:翼面上的非定常边界层很薄;外流为无黏流;在翼的前缘和后缘处,存在自由剪切层,导致前缘涡和后缘涡的卷起及其脱泻。并进一步把流动简化为:不可压缩无黏势流,前后缘满足Kutta条件,以及用离散点涡系代替从前、后缘脱出的涡层。并通过对基元运动(大攻角变速平动和变速转动)的研究得到了定量合理、定性正确的结论。此前也有些学者提到过用无黏流的模型来分析问题,比如Wu[2j提出的广义柔性升力面理论,以及2bikowski[3]提到的Kdrmdn-Sears方法或加上前缘修正的桨元理论,但并没有作相应的论证,也没有给出具体的实例。而在实验和数值方面,Dickinson等【40通过模型实验测量了悬停飞行的拍翼周期中气动力的变化过程,认为非定常气动力的来源有三:大攻角挥拍的平动环节形成了翼前缘的动态失速涡(delayedstall),拍动末期的快速转动形成的速度环量(rotational circulation),以及由上一拍动过程留下的尾涡的诱导作用(wake capture)。北航孙茂教授等[5,61按照果蝇翅膀的外形及。国家自然科学基金资助项目(),中国科学院创新项目(Ⅺo【一sw—L04,L2) 昆虫悬停飞行的气动性能分析悬停状态拍翼模式的运动学数据【4J,作了三维非定常N—S方程数值模拟研究,提出了产生非定常气动力的3个作用机制:翼在拍动初期的剧烈加速,拍动中期翼在大攻角下不失速,以及在拍动末期的翼快速上仰旋转。除此之外,孙茂教授还研究了拍翼的功率变化。本文在简化气动模型的基础上,根据已有的运动学数据-6 J,采用理论模化(theoretical modeling)的方法进一步研究了昆虫悬停飞行的气动特性。把昆虫复杂的拍翼运动简化为平板的大攻角平动和急速转动相组合的往复运动,并用分布源汇(偶极子)和一系列点涡来分别替代流场中的平板和前后缘脱出的涡层-lJ,解析地把