仿生翅翼运动模式对升力和升力系数的影响

仿生翅翼运动模式对升力和升力系数的影响

1仿生微扑翼航天器的研究模仿微风翼飞机是模仿鸟类和昆虫飞机飞机，并基于模仿原则设计的新飞机。扑翼飞行是所有飞行生物均采用的飞行方式。在昆虫如何获得高升力的研究方面,科研人员[1~2]采用N-S方程模拟的方法对昆虫飞行机理进行研究,计算出气动力随时间的变化关系;科研人员[3~4]利用任意拉格朗日欧拉(ALE)有限元方法求解出N-S方程的数值解,证明简单扑翼布局所提供的升力足以克服微扑翼飞行器本身的重力使其飞行;科研人员利用实验对升力进行了测量和分析,得到了升力与翅翼的拍动参数之间的关系。计算流体力学分析软件Fluent广泛应用于传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面的研究。科研人员使用Fluent计算出扑翼飞行器能够克服自身重力悬停飞行需要的扑动频率。科研人员使用fluent模拟了翅翼扑动时的流场特性。科研人员用fluent研究了固定翼型在低雷诺数下的动力特性。研究表明,利用Fluent软件的方法与实验方法和利用有限元求解N-S方程的方法相比较具有成本低、周期短、能模拟出各种运行状态并获得完整的数据等一些优点。科研人员认为昆虫飞行能力和飞行技巧的多样性大半来自于翅型多样性和微妙复杂的翅运动模式,翅膀拍动包含上下拍动及在上下临界点附近时的快速转动。在仿生微扑翼飞行器的设计中,一些科研人员在研究其气动力特性时使用正弦规律描述翅翼上下拍动,而一些科研人员则以余弦规律规律描述翅翼的上下拍动。当翅翼机构为连杆机构的时候,翅翼的运动规律前述的这些规律又有所区别。利用Fluent软件对基于铰链四杆机构仿生翅翼的拍动运动进行了二维仿真模拟,求解在翅翼上下拍动作用下的绕流空气的流场特性,获得了翅翼拍动一周期的升力系数变化,并与翅翼正弦规律运动及匀速运动时的升力系数进行了比较。2流体动力学模型扑翼飞行器由于尺寸和飞行速度较小,流场雷诺数一般都在(104~105)以下,比常规的飞行器(Re>106)小得多。扑翼飞行器悬停飞行时的前飞速度接近于零,此时雷诺数可利用翅膀的平均弦长C軍和扑翼的平均翼尖速度进行计算。按照Ellington的定义,扑翼飞行器的雷诺数为:翅膀上下拍动,空气在翅膀周围绕流。在低雷诺数下,空气流动一般为层流流动。但是翅膀上下拍动过程中,不仅有上下平动,而且有转动,故可认为其扰动形成的是充分发展的湍流。二维粘性不可压流体的运动控制方程可由连续方程和动量方程组成。连续性方程为:动量方程为:式中:p—压力,Pa;u—流体的速度矢量,m/s;Re—雷诺数。式(1)(2)为在惯性系中的二维Navier-Stokes(简称N-S)方程。3刚性平板薄型研究的翅翼机构为铰链四杆机构,机构的尺寸与文献相同,如图1所示。各杆件参数,如表1所示。在此机构中,构件1为驱动构件,翅翼固结在构件3上,通过构件3的往复摆动实现翅翼的上下拍打运动。翅翼的模型为厚度为1mm,面积为(10×45)mm2的薄型刚性平板,如图2所示。设各构件的方位角为θ1、θ2、θ3、θ4。固结于各杆的矢量组成一个封闭矢量多边形,其矢量之和必零,即:l軆1+l軆2=l軆3+l軆4(4)由式(3)可得角位移方程的分量形式为:对于任意一个曲柄位置θ1,由式(3)可求出方位角θ2、θ3,再对方位角θ2、θ3求一阶和二阶导数便可得到构件2和构件3的角速度及角加速度。当构件1以频率40Hz匀速转动时,翅翼的拍动角度及角速度随时间变化,如图3、图4所示。从图3可知,翅翼上拍最高点为31°,下拍最低点为(-53.8685)°,整个拍动幅度约为85°。4在翅膀翼雕刻过程中，增加力和升力系数的确定4.1动网格的网格更新在生成网格的时候,不仅需要考虑计算精度、计算时间,还要保证满足无穷远边界条件。为此,计算区域采用10倍翅翼展向长度的正方形,网格采用三角形非结构网格,共有40682个结点,80908个控制体,最大控制体积5.741000e-005,最小控制体积为1.696172e-007。在Gambit中生成网格。动网格对于翅翼拍动的描述是以翅翼相对于旋转轴的角速度为基本参数,使用voidDEFINE_CG_MOTION函数编译动网格UDF文件控制翅翼上下拍动。网格更新主要有三种模型:弹簧近似光滑模型、动态分层模型及局部重构模型。弹簧近似光滑法计算精度较高,但在计算区域变形较大时,变形后的网格会产生较大的倾斜变形,影响计算精度;动态分层模型具有生成网格快的优势,但它要求运动边界附近的网格为六面体或楔形,这使得它的应用也受到了一些限制;局部网格重构模型要求网格为二维三角形或三维四面体,它只会对运动边界附近区域的网格起作用。由于在网格划分的时候采用的是三角形非结构网格,并且变形区域较大,所以使用的网格更新方法是将弹簧近似法和网格局部重构法相结合的非结构动网格技术。如果在较大变形区域的网格更新过程中出现网格破损或负体积网格,则可用局部重构法发生成新的网格,以保证在周期变化时始终能获得高质量的网格。翅翼在上下拍打一个循环中,拍动角准=0°、25°、35°、(-25)°、(-53.8)°、0°时刻的网格更新,如图5所示。4.2升力系数分布在Fluent隐藏了很多湍流模型,通常在GUI面板上只能看到3种湍流k-ε模型。这3种模型一般适用于高雷诺数情况下。在设置边界条件时,翅翼的四周都设置为无穷远压力边界场,无穷远来流设置为U∞=1m/s。在控制体上利用在有限体积法的基础上改进的simple算法对其进行数值离散。翅翼在快速拍动过程中引起了上下表面压力差异,从而产生使其受到向上或向下运动的力F,升力系数的计算公式为:式中:F—升力;ρ—空气密度;u—气流相对于物体的流速;s—翅翼面积。在Fluent中,可直接得到升力系数,对升力系数的监测设置,如图6所示。在拍动频率为40Hz,时间步长设为0.001s,计算200个时间步长,迭代了4000次后,升力系数变化曲线,如图7所示。翅翼在下拍到最低点附近时流场的速度及压力分布,如图8、图9所示。如图8所示,可以看出,当翅翼在下拍到最低点时,上表面的空气的流速大于下表面空气流速,并且可以看到绕流在翅翼上表面形成了漩涡,说明出现了非定常的空气流动;由于上下表面空气流速的差别,造成如图9所示的上表面压力小于下表面压力,上下表面压力差便形成了升力。4.3装置中升力系数的变化翅翼拍打过程中升力系数对于微扑翼飞行器翅翼机构的设计和分析具有重要的意义。将上述铰链四杆机构的翅翼机构翅翼运动的升力系数与翅翼匀速拍打以及按正弦规律拍打的升力系数进行比较。为了便于比较,将图1所示机构中构件3的摆动范围85°作为翅翼的拍动幅度。当翅翼匀速拍打时,其运动规律为:当翅翼按正弦规律拍打时,其运动规律为:式中:f—频率均取40Hz。采用与上述相同的过程,可以得到升力系数的变化曲线,如图10所示。图中:曲线A—以铰链四杆机构为翅翼机构时的升力系数;曲线B—翅翼匀速拍打的升力系数;曲线C—翅翼按正弦规律运动时的升力系数。从图中可以看出,以铰链四杆机构为翅翼机构获得的升力系数稍大。5节省计算时间计算流体力学分析软件Fluent提供的非结构化生成程序把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松。应用时可以根据计算过程中网格的变化实时调整网格以满足计算要求。同时,网格自适应和调整只是在加密的流动区域里实施,而不是整个流动场,因此可以节省计算时间。应用动网格技术可以有效地解决数值求解流场的N-S方程所存在的“动边界”问题。结果表明应用Fluent进行微扑翼飞行器的动力学仿真其结果是基本可靠的。研究表明翅翼以不同的模式拍打运动将会产生不同的