半转翼飞行升力形成机制及其估算方法研究

发布时间：2017-07-14 03:18

  本文关键词：半转翼飞行升力形成机制及其估算方法研究

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【摘要】：基于简约化半转机构的半转翼飞行机构是一种以转动式拍动替代摆动式拍动的新型仿鸟类扑翼系统,其连续的转动形式,巧妙的克服了扑翼飞行器中由于自身往复摆动产生的巨大惯性力,将有可能在大尺寸、高升力上取得突破,从而使大尺寸仿生飞行器成为可能。本文结合半转翼飞行机构的相关研究成果,围绕半转翼升力展开研究,以期为飞行器的升力估算和翅翼参数设计提供支持,同时也可对飞行器的飞行控制提供基础理论指导。首先,在对国内外仿生扑翼飞行升力形成机制相关研究分析和总结的基础上,通过观察鸟类飞行特点,从绕流物体的基本气动特性出发,将飞行升力分成绕流升力与阻流升力。总结出两分力变化规律,阐释了鸟类不同飞行模式的内在机理,推导出鸟类飞行时绕流升力和阻流升力的理论估算公式,为进一步分析半转翼飞行升力形成机制和估算奠定了理论基础。其次,基于绕流升力和阻流升力这一升力机制,对半转翼升力进行了深入分析。介绍了半转翼驱动机构及其基本运动,说明了半转翼飞行器运动时,翼片上存在展向气流和弦向气流。分别建立半转翼两种气流升力的估算模型,推导出半转翼两种气流升力中绕流升力和阻流升力的理论估算公式,分析出影响升力的关键参数,为提高半转翼升力指明了方向,同时也为估算不同飞行状态下的半转翼升力提供了理论依据。再次,借助数学软件Mathcad估算了半转翼飞行样机悬停和前进飞行时不同飞行参数下,曲柄在一周内不同位置处时对应的半转翼瞬时理论升力,并给出前进飞行条件下半转翼绕流升力和阻流升力分别与曲柄转角的关系,以及平均绕流升力和平均阻流升力。对半转翼样机不同飞行参数下的升力估算,有助于改进样机翅翼参数和飞行器的后续设计,为验证半转翼升力估算方法做了准备。最后,在流体仿真软件XFlow中建立半转翼模型并设置相关参数,对半转翼悬停和前进两种飞行状态下的飞行升力进行数值计算,输出对应理论估算中飞行参数和位置处的半转翼瞬时仿真升力。利用Matlab对理论估算升力和仿真升力进行对比分析,验证了半转翼升力估算方法的有效性,并分析了两者间存在误差的原因。
【关键词】：半转翼飞行 气动升力 升力估算 绕流升力 阻流升力
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V276;TB17
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 引言10-11
• 1.2 仿生扑翼飞行升力的国内外研究现状11-14
• 1.2.1 仿生扑翼飞行升力的国外研究现状11-12
• 1.2.2 仿生扑翼飞行升力的国内研究现状12-14
• 1.3 基于半转机构的半转翼飞行器14-15
• 1.4 课题来源及主要研究内容15-17
• 1.4.1 课题来源15
• 1.4.2 本文主要研究内容15-17
• 第二章 鸟类飞行升力的两种机制及其估算方法17-31
• 2.1 引言17
• 2.2 绕流升力与阻流升力的基本概念17-19
• 2.2.1 绕流升力与阻流升力的提出17-18
• 2.2.2 绕流升力与阻流升力的作用特点18-19
• 2.3 鸟类飞行的绕流升力与阻流升力19-21
• 2.4 鸟类飞行绕流升力与阻流升力的估算21-27
• 2.4.1 鸟翅拍动的简化模型21-22
• 2.4.2 迎角的计算22-23
• 2.4.3 鸟翅拍动的绕流升力估算23-24
• 2.4.4 鸟翅拍动的阻流升力估算24-25
• 2.4.5 当量参数等效计算25-26
• 2.4.6 迎角分布与当量扑翼角速度26-27
• 2.5 实验算例分析27-30
• 2.5.1 仿鸟飞行样机的模型参数27-28
• 2.5.2 实验参数和当量参数28
• 2.5.3 升力计算及其比较28-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第三章 半转翼基本运动及展向气流升力理论分析31-52
• 3.1 引言31
• 3.2 半转翼驱动机构31-32
• 3.2.1 半转翼驱动机构31-32
• 3.2.2 半转翼运动区间划分32
• 3.2.3 半转翼的展向气流和弦向气流32
• 3.3 半转翼展向气流的相对速度和升力元模型32-33
• 3.4 半转翼迎角的确定33-40
• 3.5 半转翼展向气流升力中绕流升力的估算40-47
• 3.5.1 小迎角条件下展向绕流升力的估算40-44
• 3.5.2 大迎角条件下展向绕流升力的估算44-47
• 3.5.3 曲柄一转内半转翼的平均展向绕流升力47
• 3.6 半转翼展向气流中阻流升力的估算47-50
• 3.6.1 展向阻流升力元47-48
• 3.6.2 全翼展向阻流升力48-50
• 3.6.3 曲柄一转内半转翼的平均展向阻流升力50
• 3.7 半转翼展向气流总升力估算50-51
• 3.8 本章小结51-52
• 第四章 半转翼弦向气流升力理论分析52-60
• 4.1 引言52
• 4.2 半转翼弦向气流升力估算的力学模型52-54
• 4.2.1 半转翼上气流的相对速度52
• 4.2.2 半转翼弦向气流升力元52-53
• 4.2.3 半转翼弦向气流升力估算的力学模型53-54
• 4.3 相关参数的分析计算54-56
• 4.3.1 垂直翼片方向的分速度Vy54
• 4.3.2 迎角的计算54-55
• 4.3.3 压差阻力系数的确定55-56
• 4.4 半转翼弦向气流升力中绕流升力的估算56-57
• 4.4.1 小迎角条件下弦向绕流升力的估算56-57
• 4.4.2 大迎角条件下弦向绕流升力的估算57
• 4.5 半转翼弦向阻流升力的估算57-58
• 4.6 半转翼弦向气流总升力估算58-59
• 4.7 本章小结59-60
• 第五章 半转翼升力估算方法的数值验证60-82
• 5.1 引言60
• 5.2 悬停飞行时半转翼升力理论估算60-62
• 5.3 前进飞行时半转翼升力理论估算62-71
• 5.4 XFlow软件简介71
• 5.5 悬停飞行时半转翼升力数值计算71-76
• 5.5.1 半转翼在XFlow中的仿真建模及参数设置71-72
• 5.5.2 悬停飞行时半转翼的数值仿真升力72-74
• 5.5.3 悬停飞行时半转翼估算升力与数值仿真升力的比较74-76
• 5.6 前进飞行时半转翼升力数值计算76-81
• 5.6.1 前进飞行时半转翼的数值仿真升力76-78
• 5.6.2 前进飞行时半转翼估算升力与数值仿真升力的比较78-81
• 5.7 本章小结81-82
• 第六章 总结与展望82-84
• 6.1 总结82
• 6.2 研究展望82-84
• 参考文献84-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果87-88
• 致谢88

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