扑翼气动分析的数值与理论研究

论文摘要

近年来,随着微纳米技术的蓬勃发展,微扑翼飞行器的研究越来越引起学者们的重视。这些飞行器的飞行雷诺数一般在1.00×10-1.00×104之间,低雷诺数导致气流的黏性效应明显增强。而传统的气动布局和飞行方式会带来升力不足、效率低及稳定性差等问题。然而,大自然中的鸟类和昆虫是靠拍动翅膀来飞行的,显然这些动物是利用非定常流来获得推力和升力的。论文借助于仿生学手段,参考自然界中鸟类和昆虫的飞行参数,利用计算流体力学软件FLUENT及嵌入UDF和动网格技术,通过求解Navier-Stokes方程,数值模拟了微扑翼飞行器非定常的流动特征。本文研究的主要工作体现在以下几个部分：1.对计算方法的研究。掌握计算流体力学软件FLUENT的应用,以及动态网格技术和软件的二次开发功能—用户自定义函数（UDF）。熟悉掌握C语言编程基础知识。2.从单翼模型的建立、运动方程的选择以及相关参数的设置等方面进行讲解。对单翼模型的简谐运动以及超前、对称和滞后三种模态进行相应的数值研究并主要从压力和速度矢量两方面进行空气动力学特性的分析。3.在理论方面,简单介绍了Weis-Fogh机构及在无间隙时和有间隙时Weis-Fogh机构产生的速度环量；在数值计算方面,对双翼模型的超前、对称和滞后三种模态进行相应的数值计算研究并主要从涡量、压力和速度矢量三方面进行空气动力学特性的分析,并且对双翼模型的超前模态在不同控制飞行参数时的空气动力学性能进行了分析。这些是以前学者没有涉及过的。本文研究的主要创新点主要有以下几个方面：1.对二维单翼模型的超前、对称和滞后三种模态用计算流体力学软件FLUENT及嵌入UDF和动网格技术进行了数值模拟,并从压力和速度矢量两方面分析了翼型获得高升力的原因。2.对二维双翼模型的超前、对称和滞后三种模态用计算流体力学软件FLUENT及软件的二次开发功能进行了数值模拟,并从涡量、压力和速度三方面分析了翼型获得高升力的原因。3.数值研究了二维双翼模型的超前模态在不同控制飞行参数时的空气动力学性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 微型飞行器的提出
• 1.1.2 微型飞行器的基本特点
• 1.1.3 微型飞行器功用
• 1.1.4 微扑翼飞行器的研究
• 1.2 研究概况
• 1.2.1 扑翼简介
• 1.2.2 微扑翼飞行器的模型发展
• 1.2.3 实验研究方面
• 1.2.4 数值研究方面
• 1.3 研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 FLUENT软件的简介和应用
• 2.1 FLUENT求解步骤
• 2.2 基本的控制方程组
• 2.3 重整化群RNGκ-ε模型
• 2.4 边界条件
• 2.5 数值离散
• 2.5.1 有限体积法的基本思路
• 2.5.2 常用的离散格式
• 2.6 SIMPLE算法
• 2.7 动网格技术
• 2.7.1 简介
• 2.7.2 动网格更新方法
• 2.8 用户自定义函数UDF
• 2.8.1 概述
• 2.8.2 UDF的调用流程
• 2.9 本章小结
• 第三章 二维模型单翼简谐运动的数值分析
• 3.1 扑翼模型的建立
• 3.2 翼的扑动模型
• 3.3 计算步骤
• 3.3.1 用GAMBIT软件建立模型并划分网格
• 3.3.2 用FLUENT软件进行运算
• 3.4 计算结果与讨论
• 3.4.1 升阻力系数和流场分析
• 3.4.2 扑翼频率的影响
• 3.4.3 最大转动幅值的影响
• 3.4.4 平动转动相位差的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 二维模型单翼运动模态的数值分析
• 4.1 扑翼模型的建立
• 4.1.1 模型尺寸的选择
• 4.1.2 翼的扑动模型
• 4.1.3 运动模态参数的选取
• 4.2 计算步骤
• 4.2.1 用GAMBIT软件建立模型并划分网格
• 4.2.2 用FLUENT软件进行运算
• 4.3 计算结果与讨论
• 4.3.1 对称模态
• 4.3.2 超前模态
• 4.3.3 滞后模态
• 4.3.4 平均升阻力系数
• 4.4 本章小结
• 第五章 二维模型双翼运动模态的数值分析
• 5.1 Weis-Fogh机构简介
• 5.2 Weis-Fogh机构速度环量分析
• 5.2.1 无间隙的Weis-Fogh机构环量计算
• 5.2.2 有间隙的Weis-Fogh机构环量计算
• 5.3 扑翼模型的建立和选择
• 5.3.1 物理模型
• 5.3.2 扑动模型及方程
• 5.4 计算过程及FLUENT参数取值
• 5.5 计算结果及讨论
• 5.5.1 升阻力系数
• 5.5.2 超前模态的流场结构分析
• 5.5.3 攻角的影响
• 5.5.4 不同超前模态的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 主要创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介