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仿鸟柔性扑翼气动特性与能耗的数值研究 肖天航，段文博，昂海松 ( 南京航空航天大学航空宇航学院，江苏 南京 210016) 摘 要:建立了适当的三维仿鸟柔性扑翼模型，并以配平重力和平衡阻力为条件，数值计算了它的低雷诺数非定常 流场。研究揭示了翼面初始扭转角度、动态俯仰幅度等重要设计参数与飞行性能的关系，表明扑翼平面的初始扭转 程度、扑翼柔性材料的选择以及两者之间的合理搭配对扑翼机的成功飞行至关重要。研究分析了仿鸟扑翼的流场 涡结构、升力推力产生原理，下扑过程附着上翼面的前缘涡是升力产生的重要机制。对扑翼气动功率的比较分析也 发现，人造扑翼机需要的气动功率明显高出同等大小的鸟类，在效率方面尚不及扑翼飞行生物。 关键词:微型飞行器; 柔性扑翼; 非定常流; 气动特性; 数值模拟 中图分类号:V211． 1 + 5 文献标识码:A 动机理方面发挥着重要作用。孙茂教授团队［8 － 9］、Ra- mamurthi［10］、Wang［11］等在昆虫扑翼高升力机理的数值 研究方面做了大量的工作，并有不少重要的发现。仿鸟 扑翼由于尺寸更大，速度更快，其雷诺数比昆虫扑翼更 高些。对仿鸟扑翼气动特性的数值模拟研究，比较有代 表性的工作有，Roget 等［12］ 通过建立适当的动网格模 型，数值研究了弯折变形扑翼的流场; 左德参等［13］ 针对 仿鸟刚性薄板扑翼、宋书恒［14］、谢辉［15］等针对刚性 NA- CA0014 矩形扑翼，考察了扑动参数对气动特性的影响。 这些研究都有力地推动了扑翼非定常空气动力研究的 进展。但目前针对仿鸟扑翼的数值研究大多将扑翼假 设为刚性不变形模型，不能反映柔性扑翼流场的真实情 况; 研究内容也主要着重于考察各扑动参数对总气动力 的影响，较少关心柔性参数的协调搭配和气动力能否配 平扑翼机重力、前飞阻力问题; 扑翼机的功率消耗和效 率问题也较少涉及。 本文以南京航空航天大学研制的某型扑翼微型飞 行器为基础，建立适当的柔性扑翼模型，在非结构可变 形动态嵌套网格上，数值模拟该仿鸟扑翼的低雷诺数非 定常流场，并以升力平衡重力、推力平衡阻力为条件，构 建重要扑动参数之间的协调搭配关系，研究仿鸟柔性扑 翼的升力推力产生机理和气动功率消耗，分析流场涡结 构的分布和发展情况，同时尽可能地将数值计算结果与 0 引 言 随着微型飞行器研究的深入，扑翼越来越受到重 视，根据仿生学和空气动力研究成果预见，翼展小于 15cm 的微型飞行器，采用扑翼方式比固定翼或旋翼更 具优势［1 － 2］。近年来，有关扑翼空气动力的研究，在理 论、实验和数值计算方面都已逐步开展。在实体模型方 面，能实现扑翼飞行的微型扑翼机也相继研制出来，较 成功的有“Micro Bat”［3］，南京航空航天大学［4］、西北工 业大学的扑翼机［5］等。 目前研制成功的扑翼机大多都有一个共同的特 点［6］: 翅膀由前缘骨架辅以柔性薄膜构成，体型尺寸和 中等偏小的鸟类相差不多，扑动方式也与该体型的鸟类 类似，是仿鸟单对扑翼飞行。以仿鸟飞行为基础的单扑 翼是研究扑翼飞行器的基础，但即使是单扑翼，仿鸟扑 翼的研究也仍然面临相当大的挑战［7］: 其一，很难研制 出像鸟翅膀那样的能弯折、变形、张开和收拢的符合空 气动力学规律的羽翼; 其二，鸟翼复杂的扭转扑动和柔 性变形; 其三，目前的仿鸟扑翼机在稳定性、机动性和效 率等方面仍与鸟类相差很远。因此，扑翼的相关研究任 重道远，扑翼的空气动力原理及气动特性更是首先要探 明的基础问题。 随着计算流体力学的发展，数值模拟在揭示扑翼气 收稿日期:2010-09-03; 修订日期:2011-03-02 基金项目:中国博士后科学基金( 20090461113) ; 江苏省博士后科研资助计划基金( 0902086C) ; 南航大基本科研业务费专项( NS2010025) 作者简介:肖天航( 1979 － ) ，男，湖南衡阳人，讲师，研究方向: 计算流体力学、飞行器设计． E-mail: xthang@ nuaa． edu． cn * 710 空 气 动 力 学 学 报 第 29 卷 相关实验比较，以期为柔性扑翼微型飞行器的研制和改 进提供必要的理论和技术支持。 柔性扑翼模型 研究的仿鸟扑翼微型飞行器由一对可上下扑动的 主翼和置于其后的固定的平尾、垂尾组成，以电机和机 械组成的 驱 动 机 构 实 现 主 翼 的 上 下 扑 动 ( 如 图 1 所 示) 。为使数值计算和分析有针对性，这里以该扑翼微 型飞行器为基础建立计算模型，如图 2 ( a) 所示。由于 主翼扑动引起的非定常流场才是我们关注的重点，所以 该计算模型只包括主翼和简化的机身，暂不考虑主翼后 面的平尾和垂尾，扑翼也被简化成等厚度的薄板。 1 ( a) 计算模型 (