微型扑翼飞行器的气动特性及其优化研究

论文摘要

微型飞行器(MAV)具有尺寸小、重量轻、隐蔽性好等特点,在军事和民用领域具有广泛而重要的应用价值。而模拟自然界生物飞行的微型扑翼飞行器充分利用了仿生学研究成果,具有更高的气动效率,是MAV的理想实现形式。为满足高性能MAV的研制需要,本文针对微型扑翼飞行器柔性扑翼空气动力学特性及其性能优化进行了研究,主要取得了以下成果:(1)在匀速刚性模型的基础上,提出了考虑扑翼柔性的气动模型,发展了气动力计算式,实现了柔性扑翼飞行器非定常涡格法的气动计算。(2)研究了尾涡剔除对柔性扑翼模型的算法时间需求的影响,揭示了在剔除尾涡模型中一定距离外的尾涡后,可在保证气动计算精度基本不变的前提下,大大减少气动计算时间。(3)将GPU引入扑翼飞行器的非定常涡格法并行性计算,揭示出采用GPU进行算法程序优化可使算法计算效率提高4倍。计算时间的极大缩短扩展了非定常涡格法的应用,使之可作为快速气动力估算工具应用于MDO的优化迭代中。(4)旨在为微型扑翼飞行器选型和设计提供一定的依据,通过将非定常涡格法与最优化设计理论中的模式搜索法进行结合,对扑翼飞行器的翼面布局和扑动参数进行了初步优化研究,并结合已有理论对优化结果给出了初步解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微型飞行器的定义
• 1.2 微型飞行器技术的发展
• 1.2.1 固定翼飞行器
• 1.2.2 微型旋翼飞行器
• 1.2.3 固定翼飞行器所面临技术问题
• 1.2.4 扑翼飞行器的诞生与发展
• 1.3 微型扑翼飞行器技术研究概述
• 1.3.1 微型扑翼飞行器的研究
• 1.3.2 微型扑翼飞行器研制所需解决的关键问题
• 1.4 本文的内容安排
• 第二章 扑翼飞行的气动力学基础
• 2.1 飞鸟和昆虫的翅翼构造
• 2.1.1 特征尺寸
• 2.1.2 翅翼结构
• 2.1.3 升力产生机制
• 2.2 扑翼飞行的基本原理
• 2.2.1 升力和推力
• 2.2.2 卡门涡街
• 2.2.3 衡量流场流动的无量纲系数
• 2.3 早期的扑翼飞行气动理论
• 2.4 近期的扑翼飞行气动理论研究成果
• 2.4.1 面元法
• 2.4.2 N-S 方程求解
• 2.4.3 扑翼三维非定常流动的研究进展
• 第三章 扑翼飞行器非定常气动特性计算方法
• 3.1 研究对象
• 3.2 计算方法
• 3.2.1 扑翼流场的简化
• 3.3 非定常涡格法
• 3.3.1 坐标系定义
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.3 非定常尾涡模型
• 3.3.4 载荷计算
• 3.4 计算步骤
• 3.4.1 网格划分
• 3.4.2 扑翼上任意点速度计算
• 3.4.3 气动影响系数矩阵
• 3.4.4 气动力计算
• 3.5 算法的实现及改进
• 3.5.1 基于C++的面向对象实现
• 3.5.2 尾涡模型的改进
• 3.6 算例验证
• 3.6.1 与欧拉方程数值计算结果对比
• 3.6.2 与实验及原有方法的比较
• 第四章 针对迭代计算的非定常涡格法优化
• 4.1 数据并行计算基本概念
• 4.1.1 数据并行性
• 4.1.2 流式计算
• 4.2 计算概念的 GPU 映射
• 4.2.1 计算类型
• 4.2.2 GPU 计算资源
• 4.2.3 CPU-GPU 计算概念类比
• 4.3 非定常涡格法的数据并行性优化
• 4.3.1 数据类型与存储格式
• 4.3.2 用于计算诱导速度的核程序
• 4.4 性能试验
• 第五章 扑翼飞行器的总体气动优化初探
• 5.1 优化算法
• 5.1.1 模式搜索法理论基础
• 5.1.2 基本模式搜索算法实现框架
• 5.1.3 模式搜索法的改进
• 5.2 扑翼布局的气动优化
• 5.2.1 柔性扑翼模型
• 5.2.2 一维优化问题算例
• 5.2.3 针对扑翼几何外形的优化
• 5.2.4 针对扑翼扑动参数的优化
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的贡献
• 6.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况