论文题目: 仿鸟微型扑翼飞行器的气功特性研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 飞行器设计
作者: 曾锐
导师: 昂海松
关键词: 微型飞行器,扑翼机,高升力机理,柔性扑翼,扑翼模型,数值模拟,风洞实验,流场显示
文献来源: 南京航空航天大学
发表年度: 2005
论文摘要: 近年来微型飞行器(MAV)以其尺寸小,重量轻,隐蔽性好的特点,成为飞行器设计领域的新热点。模拟鸟类扑翼飞行方式的扑翼飞行器能同时产生升力和推力,从而可以省略推进装置和部分控制面,大大简化结构,降低机体重量。非常适合MAV 的研制需要。 扑翼飞行产生升力的原理与传统固定翼的位流升力理论完全不同。近年来,针对昆虫和飞鸟的扑翼高升力机理,国内外开展了不少研究,并且在用CFD研究扑翼的非定常流场特性方面取得了一定进展。 对扑翼的非定常流场,传统的定常涡格法已不再适用。通过考虑非定常边界条件,并修改了尾涡模型,在此基础上,编制了非定常涡格法的计算程序,可用于模拟计算扑翼的非定常气动载荷。 以往扑翼的气动力计算研究都很少考虑扑翼的柔性,而在鸟的扑翼动作中,在外加气动力和鸟自身的扑动力作用下,翅膀的柔性变形相当大。本文在原有匀速刚性模型的基础上,提出考虑了扑翼形状变化和扑动速率变化的扑翼分析模型,使之更接近鸟翼柔性扑动真实情况。 通过计算分析柔性扑翼的气动特性发现,控制适当的话,柔性变形能大大改善扑翼的气动性能。此外,本文还模拟计算了时柔性扑翼气动力随扑动角、扑动倾角等参数变化的情况,从而从气动的角度解释了飞鸟在不同飞行阶段的扑翼规律,并为柔性扑翼飞行器的设计提供了理论依据。 以具有可控飞行能力的微型扑翼飞行器为模型,进行了风洞测力实验,获得了扑翼飞行器气动力的第一手数据。此外在还国内率先进行了扑翼尾涡流场的显示实验,对扑翼流场有了感性的认识。
论文目录:
第一章 绪论
1.1 微型飞行器的定义和由来
1.2 多用途功能
1.3 微型飞行器的发展情况
1.3.1 固定翼微型飞行器
1.3.2 固定翼微型飞行器面临的技术问题
1.3.3 扑翼飞行器的诞生及其探索历史
1.3.4 国外扑翼飞行器近年的发展情况
1.4 南航研制的微型飞行器
1.5 本文的主要研究内容
第二章 鸟和昆虫扑翼飞行机理的研究
2.1 飞鸟与昆虫的翅膀构造特点
2.1.1 特征尺寸
2.1.2 翅膀结构
2.1.3 不同构造的影响
2.2 扑翼飞行的基本原理
2.2.1 为什么扑翼能同时产生推力和升力
2.2.2 卡门涡街
2.2.3 斯德鲁哈尔数
2.3 扑翼飞行的高升力机理
2.3.1 飞鸟的扑动模式
2.3.2 飞鸟产生升力的机理
2.3.3 昆虫的扑动模式
2.3.4 昆虫扑动的非定常高升力机理
2.4 早期的扑翼气动理论研究（80 年代前）
2.5 近期的扑翼气动理论研究进展
2.5.1 面元法
2.5.2 求解N-S 方程
2.5.3 扑翼三维非定常流动的研究情况
2.6 扑翼非定常流场的实验研究
第三章 扑翼非定常气动特性的计算方法
3.1 研究对象
3.2 计算方法
3.2.1 仿鸟扑翼的流场简化
3.3 非定常涡格法的主要特点
3.3.1 惯性坐标系和扑翼坐标系
3.3.2 边界条件
3.3.3 尾涡模型
3.3.4 载荷计算
3.4 具体计算步骤
3.4.1 划分网格
3.4.2 扑翼上任意点坐标的计算
3.4.3 气动影响系数矩阵的计算
3.4.4 扑翼的环量分布
3.4.5 气动力计算
3.4.6 计算程序流程图
3.5 方法验证
3.5.1 非定常涡格法计算程序的编制
3.5.2 算例验证
第四章 仿鸟变速－折叠扑动模型的建立
4.1 原有扑翼模型及其缺陷
4.1.1 原有模型
4.1.2 原模型缺陷分析
4.2 新模型的建立
4.2.1 变速模型的建立
4.2.2 折叠变形模型
4.2.3 新的“变速+折叠”模型的数学表达式
4.3 “变速＋折叠”模型的气动特性
4.3.1 新旧模型的对比计算
4.3.2 折叠角φ_fold的影响
第五章 仿鸟柔性扑翼扑动模型的建立
5.1 鸟翼的柔性变形
5.1.1 弦向弯曲变形
5.1.2 弦向扭转变形
5.2 柔性变形模型
5.2.1 弦向柔性变形模型
5.2.2 展向柔性变形模型
5.3 新的柔性模型
5.3.1 柔性扑翼模型的气动特性
第六章 扑翼运动参数与气动特性计算分析
6.1 柔性扑翼气动力和其它扑动参数的关系
6.1.1 扑动角的影响
6.1.2 扑动频率的影响
6.1.3 俯仰角的影响
6.1.4 迎角的影响
6.1.5 来流速度的影响
6.1.6 扑动倾角的影响
6.2 柔性扑翼气动功率的研究
6.2.1 扑翼气动功率与扑动角的关系
6.2.2 扑翼频率对气动功率的影响
6.2.3 扑翼大小对气动功率的影响
6.2.4 来流速度对气动功率的影响
6.3 小结
第七章 微型扑翼飞行器风洞实验及结果分析
7.1 引言
7.2 实验设备及模型
7.2.1 实验风洞
7.2.2 测力天平
7.2.3 数据采集处理系统
7.2.4 扑翼模型的设计与试飞
7.3 实验结果及其分析
7.3.1 扑翼气动力测量及数据处理
7.3.2 流场显示实验
7.4 本章小结
第八章 总结及其展望
8.1 总结
8.2 未来展望
发布时间: 2005-07-08
参考文献
- [1].微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究[D]. 刘岚.西北工业大学2007
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