仿蝙蝠翼微型扑翼飞行器空气动力性能的研究

论文摘要

近年来,微型飞行器逐渐成为了国内外的研究热点,微型飞行器尺寸小,重量轻,所以具有很好的机动性和隐蔽性,并且造价较低,适合执行危险性较高的特殊任务。采用自然界生物飞行方式的扑翼飞行器能够解决常规微型飞行器需要额外推力装置的技术问题,所以越来越受到重视,正在成为微型飞行器领域的研究热点。蝙蝠是自然界唯一能够飞行的哺乳动物,其扑动方式与鸟类类似,但在中低速飞行时能够产生比鸟类更高的升力,而且机动性也比同样尺寸的鸟类更强,非常符合对微型飞行器的技术要求。本文使用FLUENT软件求解流体N-S方程,分析扑翼形状,扑动规律和周围气流环境对扑翼飞行器气动性能的影响。结合现有微型扑翼飞行器扑动机构,使用ADAMS进行机构运动学仿真得到机翼扑动的运动学规律,并导出数据。使用Matlab的曲线拟合工具,得到仿真数据的解析表达式。一般对扑翼飞行器气动性能的研究中使用的扑动模型都是简单的正弦运动,本文使用现有扑动机构的运动规律进行求解。分析仿蝙蝠刚性翼型在不同的扑动频率、来流速度、来流角度下的气动性能,解释自然界生物飞行时的一些现象,并为扑翼飞行器控制策略的设计提供可参考的依据。考虑蝙蝠和鸟类在飞行时翅膀形状的变化,本文将这种变化简化为翅膀外段相对于内段的折叠运动。根据鸟类飞行中的图像,建立了这种折叠运动的运动学模型,并与扑动模型结合,建立了折叠-扑动模型。通过对计算结果的比较,发现折叠运动对飞行器的气动性能有很大的改善,这些结果可以为今后研制样机提供一定的依据。以商品化微型扑翼飞行器为机体,使用仿蝙蝠机翼,采用弹射试验的方式,定性地分析了具有凸起特征的仿蝙蝠机翼和平直仿蝙蝠形状机翼的性能差异,验证了凸起翼型在气动性能上的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 微型飞行器的研究背景及意义
• 1.1.1 微型飞行器的由来和定义
• 1.1.2 微型飞行器的特点和用途
• 1.1.3 几种典型的微型飞行器
• 1.2 扑翼飞行器的发展
• 1.2.1 微型扑翼飞行器的优点
• 1.2.2 微型扑翼飞行器的发展概况
• 1.2.3 微型扑翼飞行器的关键技术问题
• 1.2.4 对蝙蝠飞行的研究
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 微型扑翼飞行器空气动力学研究方法
• 2.1 基本控制方程
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 动量方程
• 2.1.3 控制方程的物理边界条件
• 2.2 CFD求解方法
• 2.2.1 控制方程的离散化
• 2.2.2 控制方程向代数方程的转化
• 2.4 本章小结
• 第3章 刚性仿蝙蝠翼的空气动力学分析
• 3.1 基于Gambit的刚性翼建模和网格划分
• 3.1.1 对蝙蝠翼手的研究
• 3.1.2 尺寸参数的设定
• 3.1.3 网格的划分和边界条件的指定
• 3.2 扑翼运动的运动学建模
• 3.2.1 基于ADAMS建立扑动机构运动学模型
• 3.2.2 基于Matlab建立运动规律数学模型
• 3.3 使用Fluent进行运算
• 3.3.1 计算步骤
• 3.3.2 结果分析与探讨
• 3.4 本章小结
• 第4章 仿蝙蝠折叠扑动模型的建立与分析
• 4.1 刚性翼模型与蝙蝠扑动过程的区别
• 4.2 折叠扑动模型的建立
• 4.2.1 坐标系的建立
• 4.2.2 折叠变形的表达
• 4.2.3 外侧机翼的运动分解
• 4.2.4 外侧机翼的折叠角速度
• 4.3 折叠扑动模型的空气动力学模拟
• 4.3.1 边界条件的设置和动网格参数的设定
• 4.3.2 计算结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 试验数据的比较分析
• 5.1 试验系统的搭建
• 5.1.1 扑翼机上的试验系统
• 5.1.2 弹射器装置
• 5.2 试验方法
• 5.2.1 试验准备工作
• 5.2.2 弹射试验工作
• 5.2.3 试验注意事项
• 5.3 试验结果的分析
• 5.3.1 滑翔弹射试验数据
• 5.3.2 扑动弹射试验数据
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结和工作展望
• 6.1 总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间学术业绩