两自由度扑翼飞行器气动性能研究
发布时间：2021-08-16 10:44
以所研制的两自由度扑翼飞行器为研究对象,将飞行器扑动角和扭转角变化曲线拟合后写入用户自定义功能（UDF）程序耦合到Fluent流体求解器中,分析扑翼运动时产生的平均升力系数、推力系数和能量系数,并将分析结果与单自由度扑翼飞行器进行对比。结果表明:两自由度扑翼的平均升力系数比单自由度扑翼提高了1.88倍,平均推力系数提高了1.75倍。同时,两自由度扑翼平均能量系数降低了27.5%,具有更好的举升效率和推进效率,说明所设计的两自由度扑翼飞行器能产生足够飞行的升力,比传统的单自由度扑翼飞行器具有更好的气动性能。
【文章来源】：机床与液压. 2019,47(15)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图2两自由度扑翼飞行器
哂?x轴的夹角为扭转角α。利用Adams导出扑动角和扭转角的变化规律如图3所示［11］。图2两自由度扑翼飞行器图3角度变化曲线由图3可以看出，两自由度扑翼飞行器的上扑动角约为27°，下扑动角约为25°，扑动角为52°，最大扭转角为26°。为保证拟合精度，将图3的曲线数据文件取2个运动周期，定义周期为0.072s，以矩阵形式导入MATLAB的工作空间中，调用曲线拟合工具箱，对数据进行曲线拟合，与图3仿真曲线进行比较，得到比较吻合的拟合曲线，如图4所示。图4角度拟合曲线利用拟合工具得到的扑动角度随时间变化的曲线可表示为β(t)=－2.439+24.62cos(87.25t)+0.7162·sin(87.25t)+3.153cos(2×87.25t)+0.183sin(2×87.25t)+0.9829cos(3×87.25t)+0.08782sin(3×87.25t)+0.2537cos(4×87.25t)+0.03135sin(4×87.25t)(1)扭转角度随时间变化曲线可表示为α(t)=25.05sin(87.25t+0.009524)+5.48sin(2×87.25t+0.002944)+1.6sin(3×87.25t+0.01099)+0.5101sin(4×87.25t+0.1559)(2)2气动力分析与计算大型飞行器的雷诺数一般都在106以上，但扑翼飞行器的尺寸较小，飞行速度较慢，其雷诺数一般都·46·机床与液压第47卷
3.2计算结果及分析图7升力系数曲线对单自由度扑翼和两自由度扑翼升力系数进行监测，取2个稳定的周期进行对比，得到升力系数随时间变化的曲线如图7所示。从图7中可以看出，单自由度和两自由度扑翼升力系数走势大致相同，两者都出现了升力系数为负值的情况，但单自由度扑翼升力系数的最大值略大于两自由度扑翼。其中，两自由度扑翼升力系数在两个周期内变化规律基本一致，而单自由度扑翼升力系数变化有少许波动。分别取不同时刻单自由度扑翼和两自由度扑翼升力系数数据文件导入Tecplot进行后处理，得到涡量图如图8所示，其中深黑色为负涡量，顺时针转动，浅黑色为正涡量，逆时针转动。图8涡量图从图中可以看出，扑翼从t/T=0时刻产生了很小部分的前缘涡，扑翼开始向下运动，前缘涡逐渐变大，升力逐渐升高。t/T=0.25时刻能看到明显的深黑色前缘涡和浅黑色的后缘涡，此时单自由度扑翼涡量强度大于两自由度扑翼，所以升力也大于两自由度图9推力系数曲线扑翼，随后涡开始脱落，升力降低。t/T=0.5时刻，扑翼准备向上运动，此时两自由度扑翼还存在深黑色的前缘涡和浅黑色后缘涡，只是强度不如t/T=0.25时刻，而单自由度扑翼深黑色前缘涡已经脱落，产生了浅黑色的前缘涡和深黑色的后缘涡，表现为负升力。t/T=0.75时刻，扑翼向上运动，扑翼产生了浅黑色的前缘涡和深黑黑色的后缘涡，单自由度扑翼的涡量强度明显大于两自由度扑翼，所以负升力的值大于两自由度扑翼。同样，可得推力系数随时间变化的曲线如图9所示。从图9中可以看出，单自由度和两自由度扑翼升力系数变化情况大致相同，但是两自由度扑翼推力系数的最大值明显大于单自?
【参考文献】：
期刊论文
[1]6R两自由度空间扑翼机构设计与分析[J]. 曹金秋,金晓宏,朱建阳. 机械科学与技术. 2018(02)
[2]微型扑翼仿生“0”字和“8”字形扑动方式气动特性研究[J]. 张红梅,杨文青. 航空工程进展. 2016(01)
[3]扑动轨迹对扑翼气动特性影响的数值研究[J]. 朱建阳. 工程力学. 2016(01)
[4]微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响[J]. 杨茵,李栋,张振辉. 航空学报. 2012(10)
[5]扑翼轨迹对空气动力的影响[J]. 张永立,赵创新,徐进良. 科学通报. 2006(06)
本文编号：3345525
【文章来源】：机床与液压. 2019,47(15)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图2两自由度扑翼飞行器
哂?x轴的夹角为扭转角α。利用Adams导出扑动角和扭转角的变化规律如图3所示［11］。图2两自由度扑翼飞行器图3角度变化曲线由图3可以看出，两自由度扑翼飞行器的上扑动角约为27°，下扑动角约为25°，扑动角为52°，最大扭转角为26°。为保证拟合精度，将图3的曲线数据文件取2个运动周期，定义周期为0.072s，以矩阵形式导入MATLAB的工作空间中，调用曲线拟合工具箱，对数据进行曲线拟合，与图3仿真曲线进行比较，得到比较吻合的拟合曲线，如图4所示。图4角度拟合曲线利用拟合工具得到的扑动角度随时间变化的曲线可表示为β(t)=－2.439+24.62cos(87.25t)+0.7162·sin(87.25t)+3.153cos(2×87.25t)+0.183sin(2×87.25t)+0.9829cos(3×87.25t)+0.08782sin(3×87.25t)+0.2537cos(4×87.25t)+0.03135sin(4×87.25t)(1)扭转角度随时间变化曲线可表示为α(t)=25.05sin(87.25t+0.009524)+5.48sin(2×87.25t+0.002944)+1.6sin(3×87.25t+0.01099)+0.5101sin(4×87.25t+0.1559)(2)2气动力分析与计算大型飞行器的雷诺数一般都在106以上，但扑翼飞行器的尺寸较小，飞行速度较慢，其雷诺数一般都·46·机床与液压第47卷
3.2计算结果及分析图7升力系数曲线对单自由度扑翼和两自由度扑翼升力系数进行监测，取2个稳定的周期进行对比，得到升力系数随时间变化的曲线如图7所示。从图7中可以看出，单自由度和两自由度扑翼升力系数走势大致相同，两者都出现了升力系数为负值的情况，但单自由度扑翼升力系数的最大值略大于两自由度扑翼。其中，两自由度扑翼升力系数在两个周期内变化规律基本一致，而单自由度扑翼升力系数变化有少许波动。分别取不同时刻单自由度扑翼和两自由度扑翼升力系数数据文件导入Tecplot进行后处理，得到涡量图如图8所示，其中深黑色为负涡量，顺时针转动，浅黑色为正涡量，逆时针转动。图8涡量图从图中可以看出，扑翼从t/T=0时刻产生了很小部分的前缘涡，扑翼开始向下运动，前缘涡逐渐变大，升力逐渐升高。t/T=0.25时刻能看到明显的深黑色前缘涡和浅黑色的后缘涡，此时单自由度扑翼涡量强度大于两自由度扑翼，所以升力也大于两自由度图9推力系数曲线扑翼，随后涡开始脱落，升力降低。t/T=0.5时刻，扑翼准备向上运动，此时两自由度扑翼还存在深黑色的前缘涡和浅黑色后缘涡，只是强度不如t/T=0.25时刻，而单自由度扑翼深黑色前缘涡已经脱落，产生了浅黑色的前缘涡和深黑色的后缘涡，表现为负升力。t/T=0.75时刻，扑翼向上运动，扑翼产生了浅黑色的前缘涡和深黑黑色的后缘涡，单自由度扑翼的涡量强度明显大于两自由度扑翼，所以负升力的值大于两自由度扑翼。同样，可得推力系数随时间变化的曲线如图9所示。从图9中可以看出，单自由度和两自由度扑翼升力系数变化情况大致相同，但是两自由度扑翼推力系数的最大值明显大于单自?
【参考文献】：
期刊论文
[1]6R两自由度空间扑翼机构设计与分析[J]. 曹金秋,金晓宏,朱建阳. 机械科学与技术. 2018(02)
[2]微型扑翼仿生“0”字和“8”字形扑动方式气动特性研究[J]. 张红梅,杨文青. 航空工程进展. 2016(01)
[3]扑动轨迹对扑翼气动特性影响的数值研究[J]. 朱建阳. 工程力学. 2016(01)
[4]微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响[J]. 杨茵,李栋,张振辉. 航空学报. 2012(10)
[5]扑翼轨迹对空气动力的影响[J]. 张永立,赵创新,徐进良. 科学通报. 2006(06)
本文编号：3345525
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