低雷诺数下柔性膜扑翼气动特性的流固耦合分析

发布时间：2017-11-25 09:29

  本文关键词：低雷诺数下柔性膜扑翼气动特性的流固耦合分析

  更多相关文章： 膜扑翼 气动弹性 流固耦合 非定常气动 变形 整体法

【摘要】：昆虫翼的柔性具有控制其气动力的作用，翅膀在空气中拍动时，受到翅膀表面的空气动力和翼的质量引起的惯性力的联合作用而发生柔性变形。昆虫翼柔性变形自然会引起周围流场结构变化，从而影响到翼表面的空气压力的大小和分布，即改变了作用在翼上的气动力或力矩，由此昆虫能够简单方便地实现机动和姿态调整。 为研究柔性翼的气动弹性变形对扑翼气动性能的影响，本文从Peter等人的非定常流的气动载荷理论和有限元固体分析角度出发，利用Matlab编程建立了适合于求解柔性膜扑翼气动性能的流固耦合整体法求解程序，，并进行了算例验证。在此基础上，分析了刚性和柔性蜻蜓模型翼前飞时动态变形的瞬时、时均气动响应；分析了不同材料属性、运动模型（扑动平面角、扑动频率和前飞速度）对模型翼气动性能的影响，并比较了两种不同模型翼的性能。 主要研究结果如下： 1）柔性翼的动态变形能产生显著地非定常气动效应，尤其是对下扑过程中对升力系数和推力系数的峰值影响较大。柔性翼的翼稍部位后缘变形较大，主要产生推力，翼根变形较小，主要产生升力。相比与刚性翼，柔性提高了扑翼的升力、推力系数，有利于改善扑翼的气动性能。 2）前缘梁及框架对气动性能的影响作用较薄膜大，说明模型翼的动态变形主要由刚度较大的前缘梁和翅脉起决定性作用，且气动性能对前缘梁和翅脉的厚度变化较宽度的变化敏感，三种不同材料（铝合金、钛合金、碳纤维）的前缘梁和框架对气动性能的影响作用主要表现在推力上，铝合金材料的模型翼较碳纤维材料的模型翼的推力系数略大，而柔性处于第二的钛合金具有最大的推力系数。 3）扑动平面角在一定范围内增大可以提升推力、升力系数以及升阻比；扑动频率有助于推力系数的提高但对升力贡献不大；时均升力系数和推力系数随前飞速度增大而减小；两种不同的模型翼表现出了显著的气动性能差异，证实了柔性产生的粘弹性变形对扑翼非定常气动特性的重要性，同时也为合理的设计扑翼结构模型和模型材料选择提供参考和依据。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211.41

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 周超英;林玉峰;;扑翼气动力特性的数值研究[J];哈尔滨工业大学学报;2006年09期

2 孙茂,吴江浩;微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗[J];航空学报;2002年05期

3 翁梓华,黄太平;扑翼飞行的高升力机理分析[J];机电技术;2003年S1期

4 于冰;于雷;刘廷波;赵永美;颜景平;;关于仿生飞行器仿昆飞行机理的研究状况[J];中国制造业信息化;2006年07期

5 余永亮,童秉纲,马晖扬;昆虫拍翼方式的非定常流动物理再探讨[J];力学学报;2005年03期

6 崔尔杰;生物运动仿生力学与智能微型飞行器[J];力学与实践;2004年02期

本文编号：1225563