旋转运动对绕扑翼流动特性影响的研究

发布时间：2017-09-21 14:29

  本文关键词：旋转运动对绕扑翼流动特性影响的研究

  更多相关文章： 微型飞行器 扑翼旋转运动 流体动力特性 流动显示

【摘要】：微型飞行器因为其隐蔽性好,尺寸小,重量轻等优点,近年来已经成为了飞行器研究领域中的热点。微型飞行器被认为是未来战场上的重要侦查和攻击武器,用于战争中的危险估计,目标搜索,通信中继,检测化学或生物武器等等。在非军事的民用领域,装载相应传感器的微型飞行器则可用于救灾、赈灾,消灭农作物害虫,考古和航拍等。与鸟类和昆虫相似,微型飞行器是在低雷诺数下航行,因此,开展鸟类和昆虫飞行机理的研究将有效促进微型飞行器研制。鸟类和昆虫的扑翼飞行产生升力的原理与固定翼完全不同,本文基于仿生学家与工程学家的多年观察与研究,探讨了鸟类与昆虫扑翼的飞行机理,分析了鸟类与昆虫产生高升力,推力的原因。借鉴白薯天蛾翅翼运动,设计了多种运动,开展了扑翼模型的实验研究,观测了绕扑翼的流动结构,测量了扑翼不同运动状态下承受的力和力矩,研究了多种旋转运动模式下的扑翼动力特性,讨论了旋转运动角加速度和旋转轴对扑翼动力特性的影响。检测了扑翼在旋转运动为对称模式,滞后模式与超前模式时的受力,讨论了扑翼旋转运动对于扑翼动力特性的影响。基于白薯天蛾翅翼,设计加工了扑翼模型,依据白薯天蛾翅翼的运动形式和频率,分别测量了基本运动(HM1运动)和两种衍生运动(HM2运动,滞后运动;HM3运动,超前运动)的扑翼模型受力情况,对比了三种运动的流场动力特性,指出了获得扑翼推升力最优运动模式的顺序为:HM2运动、对称模式和超前模式。进而,采用流动显示实验观察了HM1、HM2和HM3三种运动模式流场结构的差别,分析了三种运动具有不同动力特性的原因。通常鸟类和昆虫扑翼旋转运动角加速度在扑翼运动过程分为三个阶段:开始时的加速运动,中间阶段的匀速运动以及结束阶段的减速运动。设计了不同角加速度的AM1、AM2、AM3和AM4四种运动模式下,讨论了四种不同角加速度运动模式下,绕扑翼流动动力特性。扑翼旋转运动过程中不同角加速度导致扑翼的推力和升力变化规律存在较大差异。在四种运动中,AM4的流场动力特性较好,提供的平均推力与平均升力都为最高,流动显示实验能够有效地捕捉旋转运动不同阶段的流动结构。在扑翼旋转运动加速过程中翅翼前缘产生了非常明显的涡结构,翅翼尾缘涡结构出现,翅翼的推升力系数急剧增加;翅翼匀速运动时,附着在翅翼之上的前缘涡与尾缘涡相对较弱,推力和升力皆减小。扑翼转动的旋转轴对于扑翼流场动力特性的影响明显。旋转轴位于长方形翅翼短边中点时,绕扑翼流动的动力特性曲线比较平滑,不利于提高扑翼的升力;而旋转轴位于翅翼前缘其动力特征曲线波动较大,这意味着能够促使升力与推力增加。
【关键词】：微型飞行器 扑翼旋转运动 流体动力特性 流动显示
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 研究背景与意义10
• 1.2 微型飞行器的国内外研究现状10-14
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 微型飞行器的现阶段研究问题与研究方向14-15
• 1.3.1 飞行器结构的微型化14
• 1.3.2 微型高效的动力系统14
• 1.3.3 新型高升力机制14-15
• 1.4 扑翼飞行机理研究15-24
• 1.4.1 鸟类与昆虫扑翼仿生学研究15-19
• 1.4.2 鸟类与昆虫的翅翼结构的研究19-20
• 1.4.3 鸟和昆虫扑翼飞行运动与作用力的研究20-22
• 1.4.4 扑翼的非定常气动特征的研究22-24
• 1.5 本文研究的主要内容24-25
• 第二章 扑翼模型的设计与运动分析25-33
• 2.1 扑翼模型25-26
• 2.2 扑翼的参数定义26-29
• 2.2.1 雷诺数26-27
• 2.2.2 缩减频率27
• 2.2.3 参考长度和速度27-28
• 2.2.4 实验扑翼运动的雷诺数28
• 2.2.5 推力系数与升力系数28-29
• 2.2.6 功率与效率29
• 2.3 白薯天蛾翅翼的运动分析与简化29-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 扑翼运动研究方法33-43
• 3.1 扑翼运动实验平台概述33
• 3.2 扑翼运动实验数据的采集与分析方法33-40
• 3.2.1 实验数据的采集33-38
• 3.2.2 实验数据的处理方法38-40
• 3.3 流动显示实验40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 旋转运动模式对绕扑翼流动影响的研究43-54
• 4.1 不同旋转运动模式的扑翼运动设计44
• 4.2 旋转运动模式对绕扑翼流动动力特性的影响44-50
• 4.3 旋转运动模式对绕扑翼流动结构的影响50-52
• 4.5 本章小结52-54
• 第五章 速度梯度与旋转轴对扑翼动力特性的影响研究54-70
• 5.1 不同速度梯度的扑翼运动设计54-59
• 5.2 速度梯度对绕扑翼流动动力特性的影响59-64
• 5.3 旋转轴对绕扑翼流动动力特性的影响64-67
• 5.4 速度梯度对绕扑翼流动结构的影响67-68
• 5.5 本章小结68-70
• 结论与展望70-72
• 结论70-71
• 展望71-72
• 参考文献72-76
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单76-77
• 致谢77

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本文编号：895091