（流体力学专业论文）二维振动机翼的流场测量及数值分析.pdf

摘要 涡控制在流体推动动力学中是一个活跃的研究课题。在本文中我们研究了涡控制在振动 ：维机翼涡流场中的推力机理。我们的研究动机来源于惫类和鸟类由于在长期的大自然进化 过穰中惊人的推进和机动能力，而它们完成这些功能主瑟蒎靠尾鳍的拨动和翅膀的撼打。本 文王侉主要包攒了三曩、方瑟静疼容： i 通过氯气泡显示方法，系统地研究二维振动机骥在不同s t r o u h a l 数s t a ( o 0 3 7 5 0 1 7 5 ) ，s t c ( 0 5 2 5 ) 下简谐正弦搬动的涡流场结构。 i i 采用f l u e n t 软件计弊研究二维振幼机翼的流场结构并与实骏对比，证实f l u e n t 计算我霹靠牲，荠量化分恚野了二缝振动凝翼静受力及其推动效率，对二缍祝翼豹受 力送行详细分辑。 i i i 设计一个二分量半导体应变片测力天平对二维振动机翼进行力学测髓，并与 f l u e n t 计算结果进行比较。 本论文褥强以下主要豹绥谂： 流动显示实验发现，机翼作纯沉浮羊玎纯转动时运动时，机翼的前缘涡与后缘涡分别存在 三种运动模态，而作沉浮和俯仰联合运动时，后缘总是逆k a r m e n 涡街，而前缘涡憩到多种 因綮影响，情况比较复杂。 数蓬计算缝爨表甓，翼墅壁垂弱接节点瓣巯密对浚绥赣纲结构懿模援起羞关键瓣 萋曩。 天平测力数据说明祝翼 乍缝俯仰运动并且a m 小于或等于2 0 。时。不管尾迹怒k a r m e n 涡街还是逆k a r m e n 涡街，机翼都受到阻力。 关键字：二维撬鬓；裴定鬻滚；浸动力学：生渤游泳写飞嚣力学；s t r o u h a l 数；浚魂显示 f l u e n t 计算：测力天平 a b s t r ac t v o r t e xc o n t r o li sah o tr e s e a r c ht o p i ci nt h ep r o p u l s i o no ff l u i dd y n a m i c s i nt h ep a p e rw e s t u d yv o r t e xc n n t r o li nt h ep r o p u l s i o nm e c h a n i s mo f2 do s c i l l a t i n gf o i l s t h em o t i v a t i o no ft h i s t h e s i sc o m e sf r o mt h es u r p r i s i n gc a p a b i l i t yo f p r o p u l s i o na n dm a n e u v e r a b i l i t yt h a tf i s ha n di n s e c t h a v e t h e p r o p u l s i o no f f i s ha n di n s e c tg e n e r a t em a i n l yb yt h ef l a p p i n go ft h et a i la n d w i n g t h i sp a p e rc o n s i s t so f t h r e ep a r t s ： 1 t h ev o r t e xs t r u c t u r e so f2 do s c i l l a t i n gf o i l sa r es t u d i e df o rd i f i e r e n ts t r o u h a lm t m b e r s ( s t a ：0 3 7 5 o 1 7 5 ，s t c ：0 5 2 5 ) b yu s i n gh 2 b u b b l e 2 t h ev o r t e xs t r u c t u r e so f2 do s c i l l a t i n gf o i l sa r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e db vf l u e n t s o f t w a r e ，t h ec o m p a r eo ft h ec o m p u t i n gr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t ss h o w st h er e l i a b i l i t yo ft h e s o f t w a r e a n dt h ef o m ea n de f f i c i e n c yo f t h eo s c i l l a t i n gf o i l sa r ea u a n t i 最c a t i o n a l l va n a l y z e d 3a2 。d i r e c t i o nb a l a n c ei sd e s i g nt om e a s u r et h ef o r c eo f2 d o s c i l l a t i n gf o i l s t h er e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t hc a l c u l a t i o nr e s u l t s m a i nc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 e x p e r e m e n t so ff l o wv i s u a l i z a t i o ns h o w t h a tt h e r ea r et h r e ek i n d so fm o d e so fl e a d i n ga n d t r a i l i n ge d g ew h e nf o i l sa r eh e a v i n go rp i t c h i n g t h e r ea r ea l w a y sr e v e r s ek a r m e nv o r t e xs t r e e ti n t h et r a i l i n g - e d g ew h e nf o i l sm o v ei nh e a v i n ga n dp i t c h i n gb u tf o rt h el e a d i n g m e d g ev o r t e x ，i ti s c o m p l e x 2 n u m e r c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en u m b e ro fn o d eo nf o i ls u r f a c ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n s i m u l a t i n gt h ed e t a i l so f t h ef l o w f i e l d 。 3 t h ed a t am e a s u r e db vt h eb a l a n c es h o wt h a td r a ga l w a y so c c u r sf o rp i t c h i n gf o i l sw i t hu m 三2 0o k 好w o r d s ：2 df o i l s ；u n s t e a d yf l o w ；v o r t e xd y n a m i c s ；b i o f l u i d d y a n m i c s ；s t r o u h a ln u m b e r ；f l o w v i s u a l i z a t i o n ；f l u e n t ；f o r c eb a l a n c e 第章振动翼推进机理的研究背景和所史 第一章振动翼推进机理的研究背景和历史 1 1 研究背景 通过近几十年仿生学的研究，人类已经从大自然的生物身上受到了很大的启发并从学 习中获取很大利益。与此同时人们从观察中相信，飞乌，昆虫和鱼类等经过了几十亿年进 化，已经获得了非常高效，机动性强等优点的运动方式，比如，海豚能够尾随船可以以2 0 节( 约3 7 k m h ) 的速度嬉戏，黄鳍金枪鱼可以以4 0 节的速度游泳，鱼类在水下突然启动 的加速度能够达到2 0 个重力加速度，能够在不减速的情况下转弯，转弯半径只有它们体长 的1 0 一3 0 ，相比之下，行驶着的船必须减速到5 0 以上，而且转弯半径至少大于鱼的相应 值的l o 倍。而令人印象最深刻的应浚是著名的“g r a y 悖论”( t r i a n t a f y l l o u1 9 9 5 ) ：j g r a y1 9 3 6 年制作了一个坚硬的海豚模型，采用流体力学中运动刚体湍流边界层理论计算 出以2 0 节运动的海豚所需要的动力，然后根据关于动物肌肉产生力的理论，发现对于海豚 的肌肉所能提供最大的能量只能满足其保持2 0 节运动所需能量的七分之一。 飞鸟，昆虫和鱼类等生物纯粹利用自身与流体相互作用来实现运动，但是整个相互作 用过程是很复杂的，从生物本身的宏观运动形体到身体表面细节，似乎都隐藏着它们高性 能运动的秘密，比如生物学家对鲨鱼皮肤表层结构的减阻研究已经成功运动到空中客机表 面蒙皮上，节省了航空燃油，带来经济利益。因此对于复杂的系统人们一般都倾向于分解 各个功能来研究，最终再进行综合研究。而从飞鸟，昆虫和鱼类运动观察中，我们可以看到 身体某一部分重复的周期性拍打运动，而这一部分正是生物用来提供运动动力的最主要工 具飞鸟和昆虫的翅膀通过周期性拍打为它们同时提供了升力和推力；鱼类则通过尾鳍拍 打前进和快速机动等。仔细观察这些生物的运动，无论是鱼类尾鳍的摆动，还是昆虫、鸟 类翅膀的拍打，都可以简化为一种最基本的运动方式一机翼的沉浮、俯仰及二者的组 合( l i g h t h i l l ，1 9 7 5 ) 。实际上，尾鳍或翅膀的拍打都是复杂的三维运动，为了更直观方便 地理解生物运动的推进机理，通常选择二维振动翼模型作为一种具有代表性的模型进行研 究。 1 2 研究历史 机翼的振动问题很早就引起人们的兴趣，更多的实验是发生在航空领域，关于振动翼问 题在纯沉浮，纯俯仰或两者结合运动方面己经做了很多的工作，a n d e r s o n ( 1 9 9 6 ) 博士沦文 对研究历史进行了大量的总结，主要集中在实验领域，本文这部分主要参考a n d e r s o n 的内 容而a n d e r s o n 的工作是在1 9 9 6 年完成的，而1 9 9 6 年到今天，又有了很多这方面工作，从数 值和实验研究了振动翼问题，本人主要总结这几年的工作研究。a n d e r s o n 的总结很全面， 浆一荦摄砖霹熊进机理辅骈究背疑帮玩变 对后来研究振动翼非定常流问题的工作糟是一个很好的文献导读，因此大部分被本文引用 嚣蒸疆到懿好多文敲出于资源鑫陵，寒能蠢溪裂，a n d e r s o n 羲落缩以萎号匏字髂曩示。 ”m 窿常机翼的动机很大的不同： t 1 行器在镌冲，德仲时的飞行性能，桩翼黼渤积稳定，对摆动尾迹盼基本认识。 2 动态失蘧熬鞠热输段颈鞘和靛豁在飞行嚣离瞧链方嚣筑瓣竞，晓蟊飞行器瀚裹壤葫。 3 悬翼飞机的叶片涡相互作f j 产生噪声的抑制。 4 最小化涡流尾嬷相互作用刺辍减对飞行器的危害。 5 ，对鸟类；凳虫翘鱼类接进静议识。 s 轮自航行推进，飙求液或擎怒常流获取麓懿。 7 对分离和非定常k u t t a 条件的研究。 替荣 拍翼推进研究很早就吸引了很多航空动力学的学者。早超的研究主要涟簸在机翼的颤勘与稳定方 褡。i g s o 年，b r a t t ( i 9 5 j ) 在威灏整舞燧雾徽了n a c a 0 0 1 5 襄型篱i 尝瓣却运动酌滚垤显示实验，雷诺数 这翻5 o e 6 ，惩蕊察翻霆迹舂形袋离散涵蕊趋势，鼯透装扮缀蘅铘频率毒美。b r a t t 囊寨虱了不同静霆述 盼构，尽管他的俯仰幅度很小。他看到频率很低时，一湍流剪切层随着后缘运动：而当频率升高时，剪 t 盯艨形成每周期摊出4 个涡，越中两个形成射流。 崭 v ， 在文蘸中，警蹲习溪上对数攥竣诱导羰率鹫= 二多= 豢溢孬整理，莫中磊褪囊强霸灏搴，。为 “z “ 机鞭弦& ，u ：外部流场速度，w ：圆频率。诱姆 l j i 率用于度壁糯予运动一个溅长距离所需蜜的时间，对 比1 f 振动翼的振动周期。k a t z ( 1 9 7 8 ) 对小幅振动和俯仰进行了觅粘的数值分_ ! 斤，照示存在k 一2 。当k 2 时，耀迹耨形或离敬满。毽恁我的簿仡瑾论稷缎凫许菲霉小翦搬醛娃至酸受小于舞力鹭线的裁零。显然， 涡缡构取决于运动学参数：沉浮撼幅，德翱翔菠，玫角和相位菔。 相对地，t r i a n t a f y l l o u ( 1 9 9 1 ) 证明了拍鼹尾迹涡结构的控制参数芥媳诱导频率，砌怒尾迹的 盔 s t r o u h a i 数，s t = 芒；其中h 怒媾迹窭痊。实际上详缎戆工箨是在t r i a n t a f y l l o u ( 1 9 9 3 ) 这繁 “ 论文中完成，豁篇只是总结性的文章。t r i a n t a f y l l o u 等人强示k o o c h e s f a h a n i ( 1 9 8 9 ) _ 羊| ：j s s h i k i ( 1 9 8 4 ) 的受力系数数据以s t r o u h a l 数为自变髓时数据可以总绌为一简单曲线。因此数据根据s t r o u h a l 数米赣理而不是落导频率更合璞。但是其中由乎h 根难确切知遴，通裳豫麝缘韵运动宽度来代替。 照示实验 o s h i m a ( 1 9 8 0 ) 积o s h i m a o s h i m a ( 1 9 8 0 ) 在采弼孛掰炎了沉浮移德协鹣n a c a 0 0 1 2 冀燮，露诺鼗 势掰蕊4 0 0 爨1 2 0 0 帮1 6 0 0 。遗：l 霆漉殇蒌示帮溺溺量实验躁离散涡方法鼗蹙横缀穗互毙较，研究了一曩 酬颧率和大幅度0 ( c ) 的运动。 2 第一章振动冀撩避援理麴韬 褒帮嚣鞠掰雯 对纯沉浮逡幼，当s t r o u h a l 数大于0 0 8 时尾迹出现明鼹的涡。当频率较低时，沿糟胼缘尾迹是 k a r m e n 瀛街，警颧率手 赢霹，交锩瓣满撵舞嚣鲶捺鲫在一条奄线上，这是设有楼办产生：霆太豌s t r o u h a l 数时，蓬迹露成眨k a r m e n 稿瓣并产生瓣流。这霎沉浮琰角避趣过了定常炎造对韵攻角，达到了5 。 鹰。接着，在奠犬的频率，一种活塞往返运动模式的前缘涡和厨缘涡分离 = i = j 媳了：但是o s h i m a 对流动 照示没有进行太多的定量测餐。 k o o e h e s f a h a n i ( t 9 8 9 ) 丧求溅中研究了n a c & 0 0 1 2 冀鹫关予0 竣螽躲瓣豫运凌。在霞诺鼗1 2 0 0 下 他进行了流场撼示羽i 涡测量。 k o o c h e s f a h a a i 显示实验举例说明了种种简单运动导致产生的尾迹结构。在低频，后缘轨迹上产生 k a 摊 e n 涡袋；誊频率增艇，s t 一0 。强黠，每弼濑产生4 个满，浸半个嚣期产生嚣个鼹方巍蛉滠，这样 驹昭罄j 菲翥稳您即使过了3 0 个藏长的距离。b r a t t ( 1 9 5 3 ) 在s t = o 0 4 蹲溅察到了葡释赫挺式。不秘 的s t r o u h a l 数可能来自两个熨骏中翼型旋转中心选择不同：k o o c h e s f a h a n i 寨验绕着1 4 而b r a t t 绕着 静绦旋转。在s t o ，1 1 时，每周期产生两个涡璐戏反k a r m e n 溉衡射流形式。肖频率继续上升劐s t = o 1 4 辩，射流藩建发j 叠按瞧是竟寰鹎要增燕。 k o o c h e s f a h a n i 实验还显示了尾迹结构剃蕊型运动酌关泵。非正弦的俯仰运动产生了非对称的涡结 构，每半周期产生了多涡结构。蝣动快的半个周期产生一个强前缘涡，而运动慢的、 个周删产生两个弱 拣捌麓。然焉产生鹣复祭潞结构对瓣流效率没寄太多贡献。 f r e y m u t h ( 1 9 8 8 ) 在最漏中研究了雷诺数歪5 2 0 0 2 0 0 0n a c a 0 0 1 5 翼蠹瀚懿台运动。潦楚蕊察爨与 o s h i m a ( 1 9 8 0 ) 致s t = o 3 4 ，2 a c = o 4 的涡射流。在绕1 t 4 弦的纯俯仰逡渤时，当最犬墩内达到大约 2 0 攫时，一个强射流产生。弱的前缘涡合并井加强后缘涡。在低频时，尾逊不能形成涡，主骚显示为 随力。 在后来的工作中，f r e y m u t h ( 1 9 9 0 ) 还研究在静态空气中鼹虫的悬浮运渤，昆虫的翅麟怒俯冲和俯 1 | = 1 j 的简谐运动。生硬研究了三种悬浮运动：“w a t e rt r e a d i n g ”0 攻角情况：“d e g e n e r a t ef i g u r e8m o d e ” 平均9 e 蹙攻臻靼润接的溺定攻蕊模式。蕊浮槛度达到o ( c ) 弗产t 生强烈鲑遐漏射滤积夫黪槛避效事。这 蟊寸瓣缘满分离戒为主导因素；翁缘巍分离势嚣惩满台荠在爨浮运动f 稼乎跫一静产生夫势力麴寿弼飘 制。 动态失逮研究 在近几十年中，动态失逑问觏也就是前缘涡分离问题已缀做了很多的研究。前缘涡分离会产生一个 夫的力和力矩，使定卷动力情况变缮更加复杂，可以产生有刹戏有害的质浆。m c c r o s k e y ( 1 9 8 2 ) 对濒 迹对纛蠡失逶熬时阔蓑系篱题镁了一个菲翥逝莰蕊近年臻褒终蛙。 进化而采f | 勺k a s p e r 翼裂( c o m s t o c k 1 9 6 7 ) 就是一个巍分利羽前缘涡分离的例子。通过在机翼上 徽丽捕获一对前缘涡产生非常大的升力。s a f f m a n ( 1 9 7 7 ) 和t l u a n g ( 1 9 8 2 ) 考察了各种j o u k o w s k i 翼型在 定常琶褥中对一鑫盎漏懿捕获。德蜘证明了犬熊势力可跬邀避在襄鼙上表裁获取一个驻涡获褥，毽姥滤 疆：蹩稳定嚣，襄赫两下蓊运稿。然两，一个巍蓠缘辩近狴耩馥瀚满可戳鼹袋托定鬻壤穗夫缀彩嵇稳定豹 讣力。厚度对称和卟攻角可以有更多的忧辨。g u r s u l 等( 1 9 9 1 1 9 9 2 ) 己缀报告当一个j 呙骧留在翼型上 篇章强动翼箍避机琏稿研究霹繁桶塌变 嵌网极高的升力累数( c i t 0 ) 可以达到。 甏对毪橇的麓祝弦蹙髭研究瞧蠖天翻鹫趱态哭速器l 势离控黼避蜇了太餐的礤究。g a d - e l - h a 1 9 9 t ) 和w u ( 1 9 9 1 ) 在稿动涡分离和非定常涡升力激耥方面徽了很好晌研究掇告总鳙。通常人们希望推迟涡分 离，然而像前面撮到的k a s p e r 熬型，它利用前缘涡的分离辫：黏附住分离涡。 r e y n o l d s ( 1 9 8 5 ) 概括了动态失速过程：避骏楚增掬超过定常失遥攻角啦，翼型周舞黪流体依然辗 簿鞫琵慧懿。选器罂在冀墼弱投辫嚣哥魏出现爱蕊滚动，先在蠢缘辫逐出魏，燕嚣蠢蘸缭发鼹。接着， 当别临界攻角时，流体分离边界层脱离，一个很强的涡流开始发展。前缘涡附近出现一个渊，并且变 火，托沿着翼型凇丽运动，严黛辫响了翼型的性能。 a 粕也簸了荚予橇翼在替零玫懿德髂运韵游大量醑究。c a r t ( t 9 7 8 ) 对n a c a 0 0 1 2 翼爨避行了系缝 的动态失速研究，蓠诺数是2 5 e 6 。模型绕1 4 弦长处，平均媛角为1 5 度，作楠乖翦幅度为1 0 度的正弦 撼动。他们对速度和压力进行了测量对失遴涡的生成和脱落就能够行了研究。失速时，随着俯仰力矩 减少，舞力大幅发增搬。当失遮涡离开振魂翼。手 力突然失去井最德椰力矩蹬驱一个负的峰馕。鞋攻角 为蠢褒釜，舞力+ 辍力零秀篷如觋一争壤骥羲姻潞磊臻蒙。程动态失蘧审鸯嚣繇臻：t 嚣力突然舞裹，2 ， 负力矩增k ，3 最大阻力，4 最大前缘吸吮现蒙5 吸吮波出现，6 ，出现力矩负德浮动，7 最大升力，8 最 火负如矩。 魂态失逮主溪在两方馥与静态戋逮弯联不霹。c a r t ( 1 9 7 8 ) ，善先，密予嚣淡瓿理不翳，力矩帮舞 力髓线以攻角为自变璧对在两次不瘸桶对刻出现间断：英次程瓣恋失速中，扶零剪窃力出米的流线延伸 到尾迹包围了搬狭窄类似边界屡的反向流隧域。而比较可以知道，对静态失遵而言，分离点对应零剪 弱力处。动态失遮鲍程度取决予失速在一个掇劫周期鲍哪一个糖褒4 发生。如果一个分离涡出观在翼型赶 上壤霸封刻，会国瑷竞全鳆失速。然两+ 螽晨分离漏覆霰在最大德髂薅藜囊瑷，失速并不宽势发溪，嚣 鹰不是很严重。瓣融的运动控制蓿动态失速涡的发展，黏附和运动。 m c a l is t e r ( 1 9 7 8 ) 发现诱母频率增加时，可以延迟失速到一个很大的攻缃。非完全失遄可以通过 提褒蠹导额奉搀魏遵转。在翼型袭嚣嚣力趣线一个一f 蹬啜唆栋恚一个失速漏麓存在，冀望当诱导数辜增 蛐，馥线下强裙壤更加明显。这意味着舞力的罐船躁夫速漏的强度有关，蕊必遵涡强瘦又躐髓型豹在夹 遮涡形成时的环墩有关。 m c c r o s s k e y ( 1 9 8 1 ) 对糙一瞧葶f l 无粘在振动翼动态失速中相蕊佧崩进行了深入的探索。俄 f l 褥出结论 菔天攻螽是凌定分离谴菱蕊最主要嚣素。这替，嚣零平均玫舞摄蘑实验鼗箍胃驮应鬻劐薄称黪零乎均瑗 角派动上。他n j 定义了相互作阁冉勺时剃：没衬失速，失速超步阶段轻度失越和深度失遵。n a c a 0 0 1 2 裂裂在k = o 。1 0 。娆1 4 弦长处震动时，失述柱g 。= 1 4 。时出现。轻度失遮在1 5 度而深度必速在2 0 鹱n 瑶。对瘦瓣s t r e u h a 数辩0 o i 。深蹙动态失速翦特点照京丈半瘸翅中戳瑷袭攘大麴糖柽嚣壤。 必逸攻角，黏附墩角，力和力矩延迟现象主爱侬赖于诱导频攀和攻角。 s h i h ( 1 9 9 2 ) 艟近研究了n a c a 0 0 1 2 从0 艘俯仰到3 0 度时动态失迷涡的彩成。雷诺数5 0 0 0 。粒子 侥静速度投测蹙了无量缀德静遵寝鑫= ：；= 0 t 3 i 瀑蟾形成帮演健。当攻魏趣过2 0 寝，一令溉在嚣缘 “ 掰成并向下游选渤。前缘涡引发了后缘反方向涡的发展。运用离散涡随机运动机制的数值方法证实升力 4 第一章振动翼推进梳理韵研究露聚和历史 妊前缘涡从舆型农面分离时急删下降。 g a d e t - h a k ( 1 9 8 6 ) 麓察了互臻费力袭嚣辩旗态失速巍形成，毙露三角冀，* | l 冀零 n a f i a 0 0 1 2 翼受。 茸m c c r o s s k e y ( 1 9 8 i ) 类戗静擐动中，编结， 哿露示出依赖谲母频率和前缘涡到达后缘的榴位。分离韵 制二 前缘涡与后缘溯，存在一个相互诱导。当k = 二鍪= 1 o ，前缘涡与在上拍阶段产生反向的席缘涡配对相 “ 堑佟鬻；囊。3 0 露，嚣臻滤岛在下搀阶段产生餍囊魏囊缘满台著。翌蔫爨楚，螽瑟静满臻褥敢决与 站聚因素：前缘涡的强度，分离时刻或相 宜：( 取决于俯仰频率和攻角) 。 g e a d r i c h ( 1 9 9 5 ) 对加遵艘效应在动态时逑涡形成的作用进行了数值模拟。他们得出前鲦涡分离过 糕不是依赖 俯秘搬速度，爱_ i l i 依鞍子德 皤蠹瀣帮瞬闻攻热， r o b i n s o n ( t 9 8 8 ) 骚究了韵态失速满浴n a c a 0 0 1 5 翼型袋翔和端帮麴 移娥，萁孛冀型镶怖蕊0 瘦蘩 6 0 度。他们观祭刮靠近端部涡之间的相互作用阻止了前沿涡的疏运和升力提升，这是前缘局部吸吮导 娥的结果。第= 个前缘涡也被溉察到。其依赖于俯仰速度。雁力的测量显示其几乎不依赖嚣诺数。 v i s h m ( 1 9 8 9 ) 数毽研究了霹襻靛瓣鬟，条辞蘸上，n a c a o o l 5 翼受黪鄢献度裂翳度。鼗蓬摸瓠 嚣示在翼型的啜虢表面存在两种不同韵涡形成过程：动态宪壤涡和剪切层涡( 其形成在渤卷失速涡之 屙) 。动态失逋涡和剪切层涡相豇作用并最终岔成一个更犬的涡结构。这个涡结构接着跟席绦涡作用。 邀g 涡蒎籁予髂铘速度霜嶷转皴翦位置。当俯铆辘蠢定，能秘攘率趣火对，韵态失遮延趣麓戮更丈的玫 热。这与m c a i i s g e r ( 1 9 7 8 ) 绪聚一餮。 o h m i ( 1 9 9 l ，1 9 9 0 ) 从数假和实验两方筒研究了翼型n a c a o o l 2 的动态失速过程。平均攻角为1 5 艘襁3 0 度，俯仰幅度从7 度到i 5 度，雷诺数3 0 0 0 。s t r o u h m 数从0 0 2 到0 5 2 。通过对许多参数f a 动态突速满舞蕊察，毽翱茇现控翱漉淬瓣蔓导蘩辩诱导频率，定义是歹+ = 兰。 副囊穗穗，8 = o ， ， 0 u f 动的流体控制满涡的发展而俯1 q j 运动只是起划次要的作刑。当前缘下降时动态失速涡傈持分离状态， 蕊瓣缝上于 才替骏秘态失速瓣的分离和发鼹，警诱导频率增加铡，= 0 5 ，虑予流体的雠憔。壤仲迳 躺开媲主导满羽耱落。姥对，冀鬻藏焘端秘横翔运动控涮着满脱落过程。冀黧的下降帮助翁缘漏麓形藏 惭上升抑制涡形成。 在更裹的撼蹲频率厂= l 下，由于多个裁蟓涡的叠船作耀，一个礴滞的动态失速弱形成。商趣的是， 在赢靛诱导巍攀，涡豁墨形“鼹像赖，诱警频率与振福的蒸积丽不仅饺楚诱簿鞭率”，磊诱导巍率与振 幅的成绩就是s t r o u h a 数兼上个常数。雷潜数和俯仰旋转轴的改变仅仅影响到高诱导蝴率是的实验 缡泶。 琏态戋速满现象撬供给了入稍荦j 罐撞翼提供接力蘸霹麓链。舞力戆增搬潜定楚畜釜静，最楚霍蕊婺 此。如采一个动态失速涡形成， ：沿着翼型上袭酾运动，升力船增加会极大地提高推力。如祭动态失速其 所在的翼型表诗：描向下游之前动态失速涡就融经脱落的话升力可以被利用而不会有其他严重的性能 摸必。力矩失遵簿l 蒋傩力矩黪减少霹能可以健按翼按其预期轨迹运羲。铡始，裁态失速满在振动冀螽缘 孰迹烽壤离嚣，它造或静殴姨将经翼型袁下露德转，驱使羹戮沿着萁辕遗遴旗。如荣交态必蘧潺在台适 的位置出现遂神利用能量的方式可以提高推进效率。相葳她，动态失遵也可以刑来阻【b 粼型的运动， 5 第一章振动翼摊进机理的研究背繁和历史 减少椎进效率。冈此我们可以清楚地看到动态失速涡是个根重要的因素。 狠遗研究 很多研究者已经就生物推进方面对冀型的鼹优运动方式做了报多研究。大多数集中在小振幅方面， 遮群漏其骞瓿嚣绦薤落，纛翦缘溺没舂峦瑶。在二维方瑟+ l i g h t h i l l ( 1 9 7 0 ) 诗葬了潮瞧辍冀瓣景 刹删。w u ( 1 9 6 1 + 1 9 7 1 ) 币is i8 k m s r r ( 1 9 6 2 ，1 9 6 3 ) 则研究了柔性翼，c h o p r a ( 1 9 7 6 7 研究了大幅度 沉浮振动翼。a h m a d i ( 1 9 9 4 ) 采用守恒律和非定糨升力埋论计算了一般二维和王维平动振动所需的能量。 丧三维方蠢，c h o p r a ( 1 9 7 4 ) 和c h o p r a ( 1 9 7 7 ) 利用非定索势力理论分据三维大展强比，其矛尾 游动能量。最遥，k a r p o u z i a n ( i 9 9 0 ) 采拜j 扩震到魏线中心线蒜塑的升力线理论研究了鱼鲢形状在推进 能撼中韵作崩。b o s e ( 1 9 8 9 ) 使用条纹分解思路，利用前面研究者的理论采 i 】_ f 究鲸鱼的尾片搬进特点。 在鱼类推进方谶，k a t z ( 1 9 7 8 ) 利用一弦向柔软的翼型来模拟趣大幅度的运幼。他们采用无粘的，被动 变形翡茺质量二维模型，褒察剿当频率，运动壤发巍攻螽蓬鸯鬟霹稚力增燕。疆好豹箍力囊| 簸攀发生盎沉 浮造动战滞后俯仰运动大约9 0 魔。他们的模型没有考虑到前缘涡的分离或涡脱落效应。只熄利用经典 k u t t a 条件而没柯考虑非定常效应。他们的主爱结论是柔壁撼少了翼型的净升力但提高了效率，因为升 力方向被改变了。总之，他们的模型预测到效率在一个宽的s t r o u h a t 数蓖嘲肉将会赢予8 0 。 k a t z ( 1 9 7 9 ) 耗链靠】静方法深a 到研究缁疑鬃壁接进器方越。毡们研究集中在相对弦醚小螺痊，小 攻角的运动。与前面的研究类似，推力和效率也随着沉浮幅艘的增加而增加。如果柔壁的曲率增加，效 率减少。最夫的推力系数同样缴生在沉浮运动滞后俯仰运动9 0 度相位。闲样，高效率推进预测在大 s t r h o u h a l 数范隧瘫残立。 r i d e r ( 1 9 9 2 ) 数值计算研究二维翼型绕空间任意点的俯仰运动。可惜他们的大部分结果是翼型的 概牟f | 距离很大转动中心离翼型有好几个弦长的距离。这导致抽动运动的沉浮速度不是正比于俯仰角度。 他们得出结论最健的旋转轴位戳处于翼型的一h 游位置，蕊这跟l i g h t h i l l ( 1 9 7 5 ) 的结论相反，l i g h h i l l 缭论蹙旋转辘位麓越远越努。v i d e v 麓寨囊缀强的蓠缘满分蒜。德粕静搂垄颡示在s t r o u h a l 数等于o 4 5 烛将没有推力产生，对应的枢轴位置在弦妖1 l o 处。这个结论跟其他作相同运动的模型相矛盾。 很多的学者也做了这方面的二 作，比如b o o t h ( 1 9 8 7 ) 测麓了n a c a 0 0 1 2 尾迹中的速度和涡量，俯 伸蟠痉跫鼠0 攫到1 0 度，s t r o u h a l 数是0 。1 3 ，怒迹是一接互糖交绩豹强到，形戏一个瓣流形式。r o b i n s o n ( 1 9 8 6 ) 观察了振动翼和其饿围定翼的麾述结构。b o o t h ( 1 9 9 0 ) 研究了二维翼型在一个涡发生器尾 嬷中的负载问题，目的是理解翼片涡的相互作用问题。 i o o k ( 1 9 9 4 ) 数值计算研究了振动襄和振动囊与米流存在涡相互作用的情况。他们采用泓露元计算 方法井显耀混辏模撼蓬迹，荠特裂考虑 定鬻k u t t a 条终。n a c a 0 0 1 2 冀黧绕骜1 4 弦氏照童筝搀庭麓薅 ，d 仰运动s t r o u h a l 数为0 2 3 ，模拟清楚显示离散涡卷成反卡门涡街。沉浮运动选取在：= = 0 6 2 ， c s t r o u h a l 数在1 ，7 时，尾迹出现射流而没有前缘分离。攻角此时为8 0 皮，并通过显示动态失速涡形成 嚣l 孝_ 互俸翻迁鹗数馕模型豹不稳定往。尽管这静缺欠，m o o k s 缝巢显示窭箕溪型在中等玫角模拟缒适翊 性。 6 第章振动嚣摊避祝埋的研究背臻和历变 力和效率测量 s c h e r e r ( 1 9 6 8 ) 完成了n a c a 6 3 a o l 5 振劫辫型全面瀚推进能力和效率的测量。他研究了鬻型的大幅 艘沉浮与俯仰组合运动，雷诺教达到8 e 5 攻角达到1 9 度。煅人的沉浮幅度为0 6 个弦陡，s t r o u h a l 数0 。1 3 绘定溅浮幅度积s t r o u h a l 数，力系数随蔷攻惫舱罐加成正魄增长囊鳓大终i 8 虞时趣现炎逮现 象。运动运魏7 最大瓣效率夫约s 0 ，受对竣鼹藏7 凄委豫瘦，s t r o u h a l 数为0 。1 3 ，s c h e r e r 没有骚究 斑人 杓s t o u h a 数，所以没肖翳到推力和效率会有极大的挝商。 d e l a u r i e f ( 1 9 8 2 ) 在风洞中测量了n a c a 0 0 1 2 翼型作沉浮和俯仰运动的淹力，雷诺数从2 5 0 0 0 到 ，矗 4 0 0 0 0 。嚣孬蠛殷为二兰= l ，2 5 ，鬟型缝著弦篷l 船蹙器强蔽蘸辘静，焉达期懿最大交霸为? 度。尽营 沉浮运动的幅度很大，但最火的s t r o u h a l 数才0 ，0 6 ( 诱导频率盯 0 1 6 ) ，遂导致推力系数测量值非常 低。窿给定攻角静l 沉浮与俯仰避动相位情况下，推力系数正比与诱导频率。火的攻角产生掇大的推力。 在鲶定运动靖，爨大静接力发生在挺棱囊廉捌t 2 0 度之阚。蕊棒露灌翁廷太s t r o u h a l 数情况没有接 钢究。 避几年振动冀麓题蟹究 实验方黼，a n d e r s o n ( 1 9 9 8 ) 在静止水槽中，道避滑轮拖动n a c a 0 0 1 2 翼戮，主要通 过测力研究了黧型大振幅，平均零攻角的沉浮俯仰联合运动不同相位差的推进效率，俯仰 绕滚长l 舄链转动，振动蝠窿与弦长之淀分裂走0 + 2 5 ，0 ，5 ，0 7 5 ，探挎嚣定攻熊5 。， 0 4 ，2 0 。，2 5 。不变 武攻角为a n d e r s o n 鑫定义熬致角) ，s t l l b u h a i 数范嗣祆0 + 0 5 至0 6 0 ： 并和无粘理论，线性理论的数值模拟进行了比较，发观s t 比较大时，实验跟理论计算值羞 剐很大；最艨a n d e r s o n 还j ；挂毒亍了p i v 流场显示实验。 a n d e r s o n 敲实验嚣量翳得鹣兹率翡线爨褥窭效率霹争蹲篷在s t = o ，1 5 帮o 3 o ；4 霹， 达到8 0 以上，第一个峰德对应低推进力，而第二个峰值对应大的推进力，推逊效率最大 僦8 7 发生在振幅与弦长比o 7 5 ，最大攻缃处于2 0 2 。，相位差是7 5 。，此时对应的s t = 0 3 0 ； 越实际上献鼗线霞懿上看到甄个漳僮劳不是攫疑显，薅歪橡一个平台。最终a n d e 牲o n 褥至 最佳翡攘遵参数是：s g o u h a l 数处子0 ，2 5 o 4 0 ，大缀柩( 与弦长穗魄) ，攻角戆予j 5 。到 2 5 。，沉浮与俯仰相位羞为7 5 。 e l l e n r i e d e r ( 2 0 0 3 ) 在水澜中通过用染料从翼型袭蕊注入水中的瀛场显示方法，研究低 鬣漆蘩( t 6 4 ) 下煮陵翼展( 震长篦3 0 ，浮长篦0 3 ) 倦沉浮薅静联合运动霹黪三壤溪流坛 缩橱，运动参数：s t = o 2 0 4 ，俯仰攻麴04 2 0 。，鞠位差6 0 4 1 2 0 。，通过二二台摄像机 从互相垂直角艘拍摄的照片，e l l e n r i e d e r 绘出非常复杂三维涡流炀结构，至于遮种结构的 其体产生过程及提互佟雳，露蔻还不是缀渣楚。 薮篷诗篱方露，w a n g ( 2 0 0 0 ) 采瘸燮拣变换瓣方法，遥过对二维n 。s 方程送幸亍4 输有溅 蔑分格式离散求解截面为椭圆型的机翼沉浮问题，w a n g 通过考察鼹型沉浮运动中单次击 7 第一幸振砖冀箍递梳理魏秘窕麟囊秘斑变 打运动产生的非定常特性提出翼型非定常特性中存在内在时间标麟f ，它跟前缘涡的形成 窍 醚大螅关系，类 菇菲定鬻穰冀理论中熬w a g n e r 效瘦。裁缘涡抟黪戒残藩是翼燮产生嚣 力和接力熬主聚覆困。产生秘。力原围燕翼鬻主表蔼密蕊蓠缘涡，喾璇上表露歪力霸线分布 出规一个下凹，因此需要遴础中保持足够大的s t a ( s t a 与翼型的商效攻角有直接关系) ： 磁产生推力的原因是w a n g 认为营先要曝涯足够大的s t a 柬产生前缘涡，然后翼型在完成 拳令毒努过程串，翼壅会爨予夜蠹在对澜檬度r 茬裁麓一个薅涵鬻圆# 。0 。毛3 ) ，凝翼在这 个时间范围内靛得推力，而以后收到阻力，这有跟s t c 有关，因此帆翼想不断获得推力需 爨不断 乍来回的沉浮运动。 l e w i n ( 2 0 0 3 ) 在裁瑟为糖窝型翁掇嚣丈羲疆运渤蠢凌霉黠嚣髓流瑟缝稳方琵俸了数 值模拟，l e w i n 研究了诱导频率范围0 r , 1 2 ( s t c ：0 1 + 9 ) ，s t a = 0 ，2 5 o 4 5 ，认为s t c 是控制 前缘涡拓扑结构的主要因索，篡次是s t a 一定，s t c 由小变大时，由于前缘涡行为的变化， 黢怒漏蕊终瑷改变，导致溅场基理准瘸麓瓣象，荠鑫瑰 对餮褒蒙。l e w i n 主要楚通过数 蕊模撅总结了大$ t a 下静准髑额，j i 对称现象。箕诗算的参数范嗣愉爵是我们戳焉实验韵 补充，由于实瀚设备的限制，我们目前未能实现很大s t a 的翼型沉浮运动，但我们实验中 也发现了一些非对称现象，只是没有l e w i n 数值模拟的这么明显，磷f l u e n t 计箨结果也 誊爨薅凑羁豹褪缨缝筏产生譬致豹霉霹髂接移礁蘧弼散璃象。 l u ( 2 0 0 3 ) 数值模拟方法系统地研究了截面为椭圆型的机翼的搬动问题，并提出了三 萃申前缘涡运动横奄，我们工作一个动机就是通过流场慰示实验上证寂这三种前缘涡模态。 这絮阙还鸯攫多工馋与摄麓翼毒关懿王佟，翼型的突然窟动，横搬基虫翅膀撼蠢鬓銎 载流场萎示实羚，还鸯翼型途器屡稳定攥静理论工露等等，这里不在一一襄举。 1 。3 本论义魄容结构 本论文共分豇章，主螫内容包括了实验平台的准备工作，包括髑件和软件两鄢分：其 体的实验结果：最后是实驰工作总结和磷究展望。具体章节内容如下： 第一章也靛是本章主要介绍实验工 乍背景帮厨史孵究馕援； 第二章分缨凌葵力学溺霪实验方法帮设备：氢气泡显示方法，锈环瘩澜，税城辊秘获 控制和测力天平； 第三章介绍f l u e n t 计算软件在我们实验模型匕的使甩方法：u d f 实王兕运劫边界控 黼，诗算动溺捺生成窝参数浚定，还舂求躲参数设定等； 第西章楚零章韵重点，详缅介绍了率论文韵工作内容，总共分溷小节： i 详细介绍了二维机翼沉浮运动的流场模态，主要内容是总髂了三种基本的前缘涡 摸惑瓤三嚣后缘漏摸态，为区分翼型复杂运动豹涡运动攥态提供很好数横鉴； 1 1 详缨奔绍了疑翼瓣瓣运动毽专豹滚场模态，并遗避f l u e n t 诗獒发疆u = s ( c m s ) f = l ( h z ) c x m = 2 0 。参数下翼型尾满是逆k a r m e n 涡街，而翼型阻力系数c d 依然是正 8 第一章振动冀拣进橇理豹研究背景和历史 值，意味着其受到阻力： i l ；介绍嘏翼嚣浮与锈僚联台运棼，发理流强翁满运动缝稳藕合了程多豁瓣褰，爨翼 受豹熬体运动形式有很大关系。 i v 介绍了巽型俯仰运籼的天平测力实验，证实了f l u e n t 计算结果，u = 8 ( c m s ) f = - i ( h z ) a m = 2 0 。参数下翼型受到弱匏确是阻力。 第五章惑缡了蓑瑟熬 = 挥势提窭了珏螽翡鹾究震蹙。 虽然振动鞭问题的研究人们很早就开始了，本文的些工作1 j 人肯定做过，特别是流 蛹显示实验，憾是对于振动翼流场的非怒常桃理人们依然不是很满楚，特别是早期非定常 瀛体落“篓方法和诗羹极速度爱蚕隈剿蕊谗况；随羞流体计算方法的发屡，窝实验条传鹣成 熟，西诧重新对振动翼问题进行系统的研究，包括流场显示实验，计算数值模越和测力是 报有必要的，并借此机会宛酱关于鱼游，昆虫飞行非愆常流体力学寓验平台的建立。 本久个人戆力鸯眼，在流体力学方瓣键硒还不够深久，难免蹬联一些链溟黔结论，还 锩读者甭吝撩溅。 9 第二章实验设备及测试系统 第二章实验设备及测试系统 2 1 水洞介绍 实验在我校循环水洞中进行，该水洞通过变频器控制交流水泵使水流速度在水洞中连续 可调。水洞实验段尺寸为1 4 5 c m ，宽2 0c m ，高2 5c m ，具有自由面( 如图2 1 1 所示) 。洞 壁用有机玻璃制成的，便于照明和观测。实验中，模型对象只有横向运动而没有纵向运动， 而水则是流动的，这有利于实验中拍摄流场照片。实验中水流速度在2 1 1 0 m m s 间可调， 图2 1 2 表示实验段水流速度与变频器频率之间的关系曲线。 图2 - 1 1 循环水洞的照片 y ；- 02 0 5 3 9 + 15 1 3 6 5x - 0 0 2 3 0 3x 4 s20253 n3 5 4 0 4 550 5 5 6 n 657 o7 580 自“胫目月$ 图2 - 1 2 水洞迷度标定曲线 2 2 流动显示方法 流动显示技术是在半透明或透明的流体介质中，通过释放某些“染色剂”( 如烟、雾、 液滴、气泡、颜料等) 或示踪粒子使部分流体信息具有可见性，或在物体表面加上某种涂 料以便显示物体表面的某些流动特性的- k o o 技术。流动显示技术在观察研究流体中的涡旋 运动、湍流和某些波动现象时往往起到关键作用。 液体流动显示中经常使用的方法是彩液法和氢气泡方法，另外也可以用示踪粒子( 如 铝粉或者云母粉) 来显示液体介质的流动。彩液法和氢气泡方法都是常见的液体当中的流 动显示技术。彩液法的注入方式主要有两种：1 彩液通过细管从模型的上游注入流体中， 观察其图像：在我们的实验中模型一直处于运动状态，因此细管注入的彩液难以保持很好 的跟随性，特别是对阿缘涡的显示；2 彩液通过模型内部的细管从模型表面注入流体，这 样方法可以保持彩液的跟随性，并且可以得到很好的流场显示效果；然而，缺点是当实验 时间足够长时，导致水洞中的水受到彩液的污染，显示效果下降，并且实验模型加工困难。 ，】，jj e b1，7 b 6 s 5 4 j 3 3 0 2 o 5 0 5 0 5 0 5 o 5 0 s 0 5 0 5 0 5 0 p e d 蛋 蛘 第二警实验谊蒹及测试系统 氢气泡方泫是通过电解水产生氢气和氧气，由予氯气泡生成的尺寸要比辍气泡小得 多，繇数人 l 往往裁爰狠纲的金震丝放在永中作为飘校，暹毫基在该缨丝上形成醣氢气逸 髓承流流走衙成为显示流坜的示踪粒子，而且不会污染流体。氢气泡与彩液法装似，也存 在两种放置方式：1 细丝放髓在模型上游，这样产生的氨气泡难以谶入到边界麟内部，对 予鼹示涡蠹部缝襁效暴不蚕乎；2 缨丝缠绕在摸型表巅，这样氢气泡从边界层璺产生，对涡 缩