大气边界层中扑翼飞行器气动特性的数值研究

发布时间：2020-09-25 11:23

　　 模仿自然界的鸟类或者昆虫飞行方式的仿生机器人,称为扑翼飞行器。在各种微型飞行器里面,扑翼飞行器具有的高灵敏度、节能环保以及零噪声等优点,越来越受到各国科学研究者的青睐。目前,国内外主要针对扑翼飞行器飞行的基本原理、翅翼的翼型结构以及扑动方式的模拟等方面进行了深入的研究。同时,也有一些能够自主飞行的扑翼飞行器对外发布,成功吸引了全世界的目光。但绝大多数研究者把研究的重点聚焦在扑翼飞行器自身结构上,而忽略了来自外部真实流场环境的影响,这就导致研究出来的扑翼飞行器虽然能飞行,但往往经不起一丝微风。为此,作者旨在现有研究成果的基础上,针对扑翼飞行器在真实工作环境中,即大气边界层中,基于计算流体力学理论,通过对扑翼飞行器气动特性的数值计算,得到真实环境中扑翼飞行器的升阻力系数变化规律,为扑翼飞行器的进一步实用化提供有益参考。作者基于鸟类的飞行机理,在前人的研究基础上,以信鸽为仿生研究对象,建立了符合其尺寸大小、飞行特点的扑翼飞行器翅翼模型和扑动模型,运用Adams/View进行翅翼扑动机构的仿真,得到翅翼扑动的特征曲线,采用离散傅里叶拟合法得到翅翼扑动的角速度方程,从而为动网格的二次开发做好基础性工作。由于大气边界层的流场复杂、计算域大,在进行扑翼飞行器气动特性数值计算时,传统的动网格更新计算效率不高。为此,作者将采用风机研究领域的滑移网格代替动网格更新,通过建立相同的流场环境参数,进行扑翼飞行器的气动特性计算,对比分析基于滑移网格和动网格更新两者的计算结果,证明滑移网格对扑翼飞行器气动特性研究具有适用性。在前面的研究基础上,基于SIMPLE算法和RNG k-ε湍流模型,以扑翼飞行器在大气边界层中实际工作的流场环境为入口边界条件,对巡航状态的扑翼飞行器的气动特性进行数值计算,得到扑翼飞行器的平均升、阻力系数。并在相同参数条件下,与目前扑翼飞行器设计阶段普遍采用以均匀风剖面为入口边界条件的常规风洞中的数值计算结果进行对比,通过分析工作高度、扑动频率、入口风速、扑动幅度、来流迎角和地貌条件等参数对扑翼飞行器气动特性的影响规律,从而得出扑翼飞行器在大气边界层中与试验阶段常规风洞中的气动特性差异非常明显,为今后设计扑翼飞行器具有不可忽视的现实意义。
【学位单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V211.59

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本文编号：2826613