微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗

摘要：

用数值模拟方法研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率.由N-S方程的数值解提供速度场和压力场,从而得到涡量、气动力和力矩(惯性力矩用解析方法计算).基于流场结构,解释了非定常气动力产生的原因;基于气动力和力矩,得到需用功率.悬停飞行中揭示出的3个非定常高升力机制(不失速机制,拍动初期的快速加速运动,拍动后期的快速上仰运动)在前飞时仍然适用(即使在快速前飞时,V∞=2～2.5m/s,失速涡也不脱落).在低速飞行时(V∞≈0.5m/s)平衡重量的升力既来自于翅膀的下拍运动也来自于上挥运动,并主要由翅膀的升力贡献;克服身体阻力的推力主要来自于翅膀的上挥运动,由翅膀的阻力贡献.在中等速度下(V∞≈1.0m/s),升力主要来自于下拍运动,其中一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献;推力主要来自上挥运动,也是一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献.在快速飞行时(V∞≈2.0m/s),升力主要来自于下拍运动,主要由翅膀阻力贡献;推力来自上挥运动,主要由翅膀升力贡献.悬停时,下拍和上挥做功同样大;前飞时,下拍做功较上挥大得多:V∞=0.5,1.0和2.0m/s时,下拍做的功分别是上挥的1.6,2.6和3.5倍.果蝇在悬停飞行时,比功率(单位身体质量的需用功率)约为29W/kg,在V∞=0.5和1m/s时,比功率比悬停时小约10%;在V∞=1.5m/s时,比功率与悬停时几乎相同;当速度再大时,比功率迅速增大.比功率随飞行速度的变化关系曲线近似于J形,而不像飞机的那样为U形曲线.

关键词：仿生流体力学、昆虫、非定常气动力、需用功率

所属期刊栏目：23

分类号：V211.3(基础理论及试验)

在线出版日期：2004-01-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共9页

页码：385-393