昆虫扑翼悬停飞行尾涡影响研究

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在昆虫扑翼飞行中,尾涡对于升力的作用存在各种有争议的说法,是扑翼空气动力学研究中一个长期受到关注的问题。本文通过理论方法研究昆虫扑翼悬停飞行中尾涡的演化规律及由于涡环相互诱导引起的升力,从中分析尾涡对于扑翼飞行气动力的影响,并研究尾涡建立的整个过程中周期平均升力在每个周期的变化规律。我们通过理论模型预测的升力变化趋势结果与Birch和Dickinson[1]文献中的实验结果符合得很好。我们建立了昆虫的涡模型,涡模型由翼平面涡环(由附着涡和与翅膀相连的半涡环构成)以及尾涡系构成。尾涡系的建模采用Rayner[2]和Ellington[3]的尾涡模型。对涡模型采用离散涡方法(Rayner[2])进行运动学分析,获得了涡环在尾涡系中的演化规律。扑翼刚开始时,尾涡环脱落后无序运动,经过若干个周期后,逐渐形成稳定的尾涡系。采用Wu[4]的涡量矩理论对涡环系统进行气动力分析。我们推导得到空间中任意形状涡环运动产生的气动力。涡环在某个方向上的气动力分量正比于涡环的环量与涡环沿该方向投影面积时间变化率的乘积。将该结论用于昆虫涡模型,可将扑翼飞行的升力与涡环的收缩和扩张联系在一起,获得各部分涡量对升力所起的作用。尾涡诱导翼平面涡环收缩导致升力减小20%左右,这恰好与翼平面涡环诱导尾涡运动导致的升力增加相互抵消。因此涡环之间的相互诱导作用不会直接影响升力。尾涡对周期平均升力的影响来自于它们在翼平面诱导的下洗速度导致翼平面附着涡环量的减小。我们推导得到附着涡升力与尾涡环在翼平面处的诱导速度之间的关系,并给出了尾涡系从建立到稳定过程中升力随周期变化的过程。升力先减小后增大,经过若干个周期后达到稳定。升力在第二个半周期出现最小值,这与Birch&Dickinson[1]文献中的实验结果符合的很好,我们从理论上解释了第二周期出现升力最小值的现象。此时尾涡系中只有一个涡环,离翼平面非常近,诱导很大的下洗速度。后续周期虽然尾涡环个数增加,但是在诱导速度场的作用下快速向下运动,对翼平面的诱导作用反而小于第二半周期。我们使用镜像法模拟带固壁的流场,获得带有镜像涡时涡量矩理论的形式。用此方法研究昆虫身体和翅膀对涡环运动及升力的影响。结果表明考虑昆虫身体和翅膀后升力有所减小。身体所占比例越大,则与涡环相关的升力就越小。
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