基于风洞实验的蜜蜂飞行机理研究

发布时间：2017-08-14 04:18

  本文关键词：基于风洞实验的蜜蜂飞行机理研究

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【摘要】：微型扑翼飞行器具有体积小、功耗低和机动灵活性高等一系列优点，能在复杂地形和恶劣环境下完成普通飞行器无法完成的任务，可广泛应用于军事侦察、航空摄影和环境监测等领域，因此对扑翼飞行机制的研究有重要的理论价值和应用前景。本文借鉴自然界中的飞行生物研究扑翼飞行的机理，选取蜜蜂为研究对象，采用风洞实验和数值计算相结合的方法，对蜜蜂的飞行机理进行了系统的理论研究。论文的主要研究工作如下： （1）设计并制作了用于小型昆虫流场显示实验的低速风洞。为保证风洞的流场品质，研究了风洞实验段、扩散段和收缩段的尺寸对流场品质规律的影响，确定了风洞各段的最佳尺寸，选择了维多辛斯基曲线作为收缩曲线线型；为降低湍流度，保证气流的平稳性，在稳定段和动力段添加了蜂窝器和阻尼网；设计并调试了发烟装置，对高速摄像机和灯光进行了合理的实验布局，开发了完整的流场显示实验系统。 （2）在低速烟风洞中，采用两台高速摄像机同步拍摄蜜蜂，获得了蜜蜂的振翅规律；利用烟线法研究了蜜蜂振翅时的远场和近场流场的变化特征，研究了尾迹涡对诱导速度的影响，提出了蜜蜂振翅时涡的演变规律。翅下拍时，连续的翅尖涡尾迹形成涡管；翅外旋时，产生下拍停止涡与上拍启动涡；翅的弦向变形使得前、后翅尾缘处的涡量方向相反；下拍末期，前缘涡最明显，由翅根至翅尖方向前缘涡的尺寸是递增的；在蜜蜂振翅的下拍末期，左、右翅上各有一涡环，涡环由沿着翅展的前缘涡、翅尖涡尾迹涡管和翅根涡尾迹组成；根据涡环计算的升力大于蜜蜂的重力，这表明蜜蜂振翅产生的升力，不仅能够维持自身重力，还可携带一定的重物进行飞行。 （3）建立了蜜蜂模型和坐标系，基于蜜蜂的振翅规律给出了翅的运动方程，利用动网格技术数值模拟计算了蜜蜂振翅时的流场。数值模拟结果验证了风洞实验的结论：翅在拍动时，翅上附着有前缘涡、翅尖涡、翅根涡和尾缘涡；翅下拍末期，由翅根至翅尖，前缘涡的尺寸增大，与翅尖涡连接在一起；下拍末期，尾缘处存在下拍停止涡，会降低升力，上拍初期，尾缘处存在上拍启动涡，能够提高升力；下拍末期，在左（右）翅上，翅尖涡尾迹、翅根涡尾迹和翅面附近的涡量能够组成完整的涡环，且涡环为圆形。此外，数值结果还表明：翅的旋转使得前缘涡在上（下）拍末期尺寸达到最大；在上拍末期，上拍期间形成的翅尖涡尾迹、翅根涡尾迹和翅边界处的涡量连接在一起形成耳状涡环；在上拍涡环和下拍涡环的中心，均有垂直于涡环平面向下的射流。 （4）基于实体蜜蜂翅，建立了蜜蜂翅模型及翅的坐标系，，定义了翅的升力、推力、气动功率和惯性功率；数值模拟计算对比了单翅模型、双翅模型和整体蜜蜂模型的力和功率，结果表明左、右翅的相互作用以及蜜蜂身体均对单个翅的气动影响可忽略不计；针对蜜蜂单翅模型，通过数值模拟计算分析了频率、最大拍动角、中期攻角、翻转时刻和旋转轴位置等不同影响因素对气动力和功率的变化规律。研究结果为将来研制微型仿生扑翼器有一定的指导意义。
【关键词】：蜜蜂 风洞 涡 流场显示实验 数值模拟
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211.74
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-40
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.2 扑翼研究的发展现状16-21
• 1.3 扑翼飞行的气动机制21-31
• 1.3.1 准稳态分析21-22
• 1.3.2 合拢打开和剥离打开22-24
• 1.3.3 前缘涡与展向流24-28
• 1.3.4 尾迹效应28-31
• 1.4 涡的基本理论31-33
• 1.4.1 环量与涡31
• 1.4.2 Helmholtz 第一定理31-32
• 1.4.3 Biot-Savart 定理32-33
• 1.5 蜜蜂结构与飞行特点33-38
• 1.5.1 蜜蜂的结构33-35
• 1.5.2 周期运动35-36
• 1.5.3 拍动平面36-37
• 1.5.4 翅的扭转37-38
• 1.6 论文的研究内容38-40
• 第二章 风洞结构参数对流场品质的影响规律研究40-66
• 2.1 引言40-41
• 2.2 风洞的整体结构41-42
• 2.3 风洞流场品质的评价指标42-43
• 2.4 实验段尺寸对流场品质规律的影响43-52
• 2.4.1 实验段尺寸、模型及边界条件43-45
• 2.4.2 实验段截面边长对流场品质规律的影响45-48
• 2.4.3 实验段长度对流场品质规律的影响48-51
• 2.4.4 实验段尺寸的确定51-52
• 2.5 扩散段尺寸对流场品质规律的影响52-57
• 2.5.1 扩散段尺寸、模型及边界条件52-53
• 2.5.2 扩散段长度对扩散段出口流场品质规律的影响53-55
• 2.5.3 扩散段长度对扩散段入口流场品质规律的影响55-56
• 2.5.4 扩散段尺寸的确定56-57
• 2.6 收缩曲线及收缩比对流场品质规律的影响57-64
• 2.6.1 收缩段模型及边界条件57-58
• 2.6.2 收缩曲线对流场品质规律的影响58-61
• 2.6.3 收缩比对流场品质规律的影响61-63
• 2.6.4 收缩段尺寸的确定63-64
• 2.7 风洞整体结构参数及流场品质验证64-65
• 2.8 本章小结65-66
• 第三章 流场显示实验系统开发66-79
• 3.1 引言66-68
• 3.2 烟线显示的意义68-70
• 3.3 整流装置70-72
• 3.3.1 喇叭口和稳定段70
• 3.3.2 蜂窝器和阻尼网70-71
• 3.3.3 动力段71-72
• 3.4 发烟装置72-73
• 3.5 建立实验平台73-75
• 3.6 准备实验对象75-76
• 3.7 流动显示实验76-78
• 3.7.1 圆柱绕流实验76-77
• 3.7.2 蜜蜂流场显示实验77-78
• 3.8 本章小结78-79
• 第四章 基于蜜蜂流场显示实验的涡演变规律79-106
• 4.1 引言79-81
• 4.2 蜜蜂的振翅规律81-85
• 4.2.1 直线与投影关系81-82
• 4.2.2 蜜蜂的坐标系82-84
• 4.2.3 蜜蜂的拍动角84-85
• 4.3 蜜蜂振翅的远场流场结构85-96
• 4.3.1 蜜蜂周期振翅的流场显示实验分析85-91
• 4.3.2 下拍停止涡与上拍启动涡91-93
• 4.3.3 翅扭转产生的尾缘涡对93-96
• 4.4 蜜蜂振翅的近场流场结构96-102
• 4.4.1 蜜蜂周期振翅的流场显示实验分析96-98
• 4.4.2 前缘涡98-100
• 4.4.3 下拍停止涡与上拍启动涡100
• 4.4.4 翅尖涡100-102
• 4.5 蜜蜂振翅的涡102-105
• 4.5.1 翅旋转阶段产生的尾缘涡102-103
• 4.5.2 下拍涡环与平均升力103-105
• 4.6 本章小结105-106
• 第五章 蜜蜂飞行时涡演变规律的仿真验证106-131
• 5.1 引言106-108
• 5.2 蜜蜂模型的坐标系108-109
• 5.3 翅的运动方程109-115
• 5.3.1 简谐运动方程109-110
• 5.3.2 中期拍动速度和攻角不变的方程110-113
• 5.3.3 提前、对称和延迟翻转的运动方程113-115
• 5.4 边界条件和求解器115-118
• 5.5 计算有效性验证118-120
• 5.6 涡现象分析120-129
• 5.6.1 蜜蜂振翅产生的涡120-123
• 5.6.2 前缘涡123-125
• 5.6.3 下拍停止涡与上拍启动涡125-126
• 5.6.4 涡环126-129
• 5.7 本章小结129-131
• 第六章 蜜蜂翅模型的力和功率分析131-159
• 6.1 引言131-132
• 6.2 气动力和功率分析132-135
• 6.2.1 翅的气动力132-133
• 6.2.2 翅的功率133-135
• 6.3 蜜蜂身体、双翅和单翅对力和功率的影响135-140
• 6.3.1 单翅与双翅对力和功率的影响135-139
• 6.3.2 蜜蜂身体对气动力和功率的影响139-140
• 6.4 典型算例140-144
• 6.5 力和功率的影响因素144-157
• 6.5.1 频率144-145
• 6.5.2 最大拍动角和中期攻角145-150
• 6.5.3 T1150-152
• 6.5.4 T2152-153
• 6.5.5 翻转时刻153-155
• 6.5.6 旋转轴位置155-157
• 6.6 本章小结157-159
• 结论与展望159-163
• 本文结论159-161
• 创新点161
• 展望161-163
• 参考文献163-178
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单178-179
• 致谢179

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：670712