扑翼机推进效率的数值仿真研究

发布时间：2020-03-26 09:08

【摘要】：扑翼机是区别于传统的固定翼和旋翼飞行器的一种新型飞行器,其采用与自然界鸟类、昆虫一样的扑翼飞行方式,具有机动灵活、隐蔽性强的优点,在军事上和民用上有着广阔的应用前景。本文通过对扑翼机驱动部分、机翼部分和尾翼部分的一次次优化迭代飞行试验后,制作出了一台能在空中飞行约8 min翼展为206 cm的中型扑翼样机,并以此扑翼样机为原型对扑翼机的推进效率进行研究。测量扑翼样机的翼型、弦长、最大扑打幅度和扑打频率等相关参数来构建仿真模型,并通过Fluent软件进行数值仿真。扑翼机的推进效率是有用功率与输入功率的比值,有用功率是扑翼的推力产生的功率,是关于推力系数的关系式,而输入功率让扑翼机做上下方向的沉浮运动和绕轴的俯仰运动,为升力产生的功率和力矩产生的功率之和,是关于升力系数和力矩系数的关系式。综合起来为,扑翼机的推进效率是关于其推力系数、升力系数和力矩系数的关系式,得到三者系数的数值大小就可求出对应情形下的推进效率。仿真过程包括对翼型运动模型的构建、三角形非结构性网格的划分、DEFINE_CG_MOTION宏的编译、翼型与流场中动态网格的设置、基于压力的瞬态求解器、k-ε湍流计算模型、求解参数的配置和结果数据的分析处理,分别对扑翼机在不同俯仰幅度角(α0)、不同沉浮与俯仰运动的相位角(δ)、不同斯特劳哈尔数(St)情形下的推进效率进行研究,从仿真结果中可以得到以上情形下扑翼机的推力系数、升力系数和力矩系数。研究结果表明,在St=0.3,α0=20°,δ在75°～105°时,扑翼的推进效率相差不大,约为0.38,相位角决定扑翼机攻角与运动位置的对应关系。在St=0.3,δ=75°,α0在15°～25°时,其推进效率的大小基本相当,η在0.38～0.41之间,当α0小时其推进效率也低,一定程度的俯仰幅度角能有效的改善扑翼的推进效率。在α0=20°,δ=75°,St在0.1～0.4时,推进效率与St数的关系为负相关。在St为0.3时,扑打频率为6 Hz,其气动性能远远高于St为0.1、0.2的情形,在扑翼的气动性能好,扑打频率较高时,扑翼机可以承受更多的负载。综合以上不同情形下的分析结果可得到扑翼机的最优组合参数为St=0.3,α0=20°,δ=75°,此时其推进效率为0.375。
【图文】：

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”这是我国历史上关于古人尝试飞行的记载，有后人推测，这是降落伞加滑翔逡逑机的有机组合，充分证明了古人对飞翔的渴望。〗２５０年，西方英国的科学家罗杰？培根逡逑在他的《工艺和自然的奥秘》中有述：“供飞行用的机器，上坐一人，靠驱动器械使人逡逑造翅膀上下扑打空气，尽可能地模仿鸟的动作飞行［２］。”这大概是西方最早关于对扑翼机逡逑构造设想的记述。逡逑１５世纪中期出生于意大利的达？芬奇是文艺复兴时期的代表人物之一，，他不仅是著逡逑名的艺术家，还是位航空上的先驱，他有个浪漫的畅想：人类应该像鸟一样自由的飞翔！逡逑为了实现他的升空畅想，达？芬奇对扑翼机的设计表现出了极大的热忱，他对鸟类的飞逡逑行进行了长时间的细致观察后，通过模仿鸟类的身体构造，设计出了早期的扑翼机构造逡逑图。他采用人力作为扑翼机的驱动方式，人俯卧在扑翼机中部，脚蹬后顶板，手扳前部逡逑装有鸟羽的横杵，就像划桨一样掮动空气，推动飞行。图１－１是达？芬奇设计的扑翼机逡逑全尺寸模型图，机翼的骨架由几根弯曲的金属杆连接做成，通过一套轮子和连杆，可以逡逑使每一根都能产生多种弯度，从而达到模仿鸟类扑翼动作的目的。逡逑

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＇逦—－…逡逑图１－２蒸汽机式扑翼机逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔｅａｍ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ邋ａｉｒｃｒａｆｔ逡逑１９９６年，加拿大的詹姆斯？德劳里埃设计出一架载人扑翼机［３］［４］，该机拥有流线型逡逑的机身，通过上下扑动的长机翼来进行飞行。机翼的翼展长１２．５邋ｍ，最外端的外翼可以逡逑上下扑动，翼面还可以绕机翼前沿的横梁扭曲，模仿鸟翅的运动形态，扑翼机通过活塞逡逑式发动机进行驱动，通过连杆机构带动左右外翼挥舞。逡逑＾：盾逡逑图１－３德劳里埃扑翼机模型逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｄｒｏｕｒｉｅｒ邋ｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ邋ａｉｒｃｒａｆｔ邋ｍｏｄｅｌ逡逑３逡逑
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V276

【参考文献】