刚毛翼拍合过程中复合运动对升力的影响.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:赵磊()男博士副教授:.通信作者:何广平()男博士教授:.:./.刚毛翼拍合过程中复合运动对升力的影响赵 磊张树海袁俊杰张忠海周 林何广平(.北方工业大学 北京 .北京航天测控技术有限公司 北京)摘要:为揭示拍合过程中拍动和俯仰运动重叠对刚毛翼升力的影响基于重叠网格方法建立了刚毛翼的计算流体动力学模型分析了刚毛翼悬飞时的黏性效应在此基础上研究了拍动 俯仰重叠率对刚毛翼升力系数的影响规律及机制 研究结果表明:随着基于弦长的雷诺数由 逐渐增加至 刚毛间隙泄漏明显增强刚毛翼内外侧压差和刚毛间隙泄漏率与雷诺数之比不断减小导致压力和剪切力对升力系数的贡献不断减小升力系数不断降低通过采用较高的拍动 俯仰重叠率可使拍合过程中的流体泄漏方向与刚毛运动方向相反在合拢阶段形成明显的竖直向上剪切力合力而在打开阶段形成明显的竖直向上压差从而将合拢和打开阶段的负升力峰值转变为正升力峰值有效提高刚毛翼的平均升力系数关键词:刚毛翼拍合重叠网格升力雷诺数拍动 俯仰重叠率本文引用格式:赵磊张树海袁俊杰等.刚毛翼拍合过程中复合运动对升力的影响.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.().:).:引言微型扑翼飞行器具有隐蔽性好、机动性强等突出优点在军事侦察、搜救等领域拥有广泛的应用前景受到了各国国防部门的高度重视 飞行昆虫以其尺寸小、可悬飞等诸多优点成为了微型扑翼飞行器设计的重要仿照对象 为了设计出高效、可靠的仿昆虫扑翼飞行器学者们对中、大型昆虫的空气动力学进行了大量研究对于中、大型昆虫的气动力机制 有 了 较 为 深 入 的 理 解 然 而 目 前 对 于 体 长 其基于弦长的雷诺数()约为 并且许多微小型昆虫的翅膀上长有大量细长刚毛 刚毛翼的出现为飞行器的进一步微型化提供了全新的思路拍合运动(合拢打开)是小昆虫常用的升力产生机制 是上行程末期昆虫的双翅在其背后相互靠近并绕前缘旋转合拢的过程 是合拢的双翅在下行程初期相互远离并绕后缘旋转打开的过程 推测刚毛翼可通过 在 时获得较高的飞行效率 通过二维计算流体动力学()模拟发现刚毛间隙的流体泄漏可减小左右刚毛翼在 阶段所受阻力 申研究了刚毛交叉对刚毛翼 过程中气动特性的影响 吴分析了 阶段刚毛附近的流场结构并探讨了刚毛间的相互作用由以上研究可知 是刚毛翼在悬飞模式下的重要运动方式 目前已证实提高 中拍动与俯仰重叠时间占 总时间的比重(拍动俯仰重叠率)能够有效提高实心扑翼的平均升力系数 然而拍动俯仰重叠率对刚毛翼升力性能的影响目前尚不清楚 本研究中的主要工作是建立包含 运动的刚毛翼全扑动周期 模型分析刚毛翼悬飞过程中的黏性效应进而探讨不同拍动俯仰重叠率对刚毛翼升力系数的影响 刚毛翼几何及运动学模型.几何模型刚毛翼昆虫翼尖附近的刚毛数量和刚毛长度通常明显高于其他区域因此翼尖区域对升力贡献较大通过截取翼尖附近的弦向截面(图()能够近似反映刚毛翼的气动特性 为此本研究中根据吴提供的几何参数建立了刚毛翼的二维 简化模型 其中刚毛翼的二维简化几何模型如图()所示 左右刚毛翼均由 根等间距的刚毛组成其中每个圆代表一根刚毛的横截面 为刚毛直径 为相邻刚毛中心之间的距离 为弦长表示前缘刚毛中心至后缘刚毛中心之间的距离左右刚毛翼的弦线在运动开始前相互平行初始翼间距为 以上几何参数的取值为:.图 刚毛翼二维简化几何模型的建立.运动学模型如图 所示 中包含拍动和俯仰 种运动模式常以俯仰运动的持续时间作为 的总时间 本文中采用以下考虑拍动俯仰重叠率 的运动学模型:()()()()()()()()()()()()式()式()中:为俯仰角速度 为拍动线速度 为无量纲时间(/其中 为时间 为扑动周期)为俯仰角速度曲线的分段编号 为拍动线速度曲线的分段编号 为俯仰角速度的最大值为拍动线速度的最大值为描述第 段俯仰角速度曲线的常数和 为描述第 段拍动线速度曲线的常数和 分别为第 段俯仰角速度曲线的起始时刻和所经历时间 和 分别为第 段拍动线速度曲线的起始时刻和所经历时间、和 等参数的取值或表达式详见文献赵 磊等:刚毛翼拍合过程中复合运动对升力的影响图 过程的二维示意图.运动从下行程开始首先进行 初始时刻双翼互相平行且翼间距最小 图 为 时的无量纲速度曲线图 时的全扑动周期无量纲速度曲线.刚毛翼 模型.控制方程与边界条件刚毛翼的雷诺数和马赫数很小属于典型的不可压缩层流问题采用非定常不可压 方程进行描述在悬飞模式下刚毛翼流场的内边界为刚毛表面所构成的运动壁面其运动规律由式()式()确定壁面处满足无滑移条件外边界为距离刚毛翼足够远处的远场边界.重要无量纲参数定义升力系数 定义为:.()式()中:为升力以竖直向上为正方向 为流体密度为弦长升力系数的周期平均值 定义为:()基于弦长的雷诺数 定义为:()式()中:为流体的运动学黏度.重叠网格方案重叠网格的基本思想是:对于各个部件附近的流场区域分别划分部件网格对整个流场区域划分背景网格通过允许部件网格与背景网格之间以及不同部件网格之间相互重叠来简化网格划分过程以便在部件周围生成高质量的结构网格和实现网格的参数化 重叠网格的基本流程如图 所示:通过挖洞处理找出不参与计算的洞单元 通过将更多单元转化为洞单元将不同网格间的重叠区域最小化根据流场信息在重叠区域查找各套网格的插值接受单元与插值贡献单元 根据插值接受单元与贡献单元之间的位置关系插值计算出接受单元的流场信息作为各套网格独立求解时的重叠边界条件 根据重叠边界条件和物理边界条件对各套网格进行独立求解图 重叠网格基本流程.本研究中采用商业软件 进行刚毛翼的重叠网格划分和流场计算其中重叠网格方案如图 所示背景网格为半径为 的圆形区域内部划分结构网格用于捕捉较远处的流场信息部件网格为半径为 的圆形区域随刚毛翼刚性运动内部划分高质量的结构网格并在刚毛表面附近进行局部网格加密用于捕捉刚毛附近的流场信息 针对以上网格系统通过建立部件网格和背景网格的重叠边界并对刚毛表面和刚毛翼部件网格施加运动速度完成重叠网格的划分图 重叠网格方案.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.数值求解算法及验证速度项采用二阶迎风格式进行离散时间格式采用一阶全隐式时间积分求解算法采用压力 速度耦合求解算法为确保网格无关性对网格总数为 万、万和 万时的瞬时升力系数模拟结果进行了比较比较结果如图 所示 由图 可知 种网格数量下的升力系数非常相近但考虑到总网格数量为 万时涡量等值线的光滑性较好本研究中采用网格总数为 万的网格划分方案图 网格无关性验证.为验证所建立的刚毛翼二维 简化模型的有效性针对 时的 阶段将本文中模拟得到的升力系数与吴模拟得到的升力系数进行了比较比较结果如图 所示图 模型验证.计算结果及分析.刚毛翼的黏性效应在刚毛翼可能面对的低雷诺数范围内()分析了其黏性效应 图 为 时不同雷诺数下刚毛翼升力系数随无量纲时间的变化 从图 可以看出当 时升力系数随着 的增大而明显减小为揭示雷诺数也即黏性效应对刚毛翼升力的影响机制分析对比了 和 时的刚毛受力分布和刚毛翼流场由于 阶段、阶段和纯拍动阶段的情况相似以下仅展示纯拍动阶段 .时刻的比较结果 图 图 分别为 和 时的各刚毛升力系数及其压力与剪切力分量对比、速度场对比、涡量场对比和压力场对比图 时不同雷诺数下升力系数随无量纲时间的变化.图 和 时纯拍动阶段 .时刻的各刚毛升力系数及其压力与剪切力分量对比.赵 磊等:刚毛翼拍合过程中复合运动对升力的影响 由图 可知 和 时刚毛表面的剪切力和压力均对升力有重要贡献且各刚毛受力情况与其所在位置密切相关同时 时刚毛表面的剪切力和压差明显大于 时图 和 时纯拍动阶段 .时刻的速度场对比.图 和 时纯拍动阶段 .时刻的涡量场对比.由图 和图 可知 和 时刚毛间隙处均存在一定的正、反间隙涡 时刚毛间隙处整体流速较高间隙涡相对较弱说明刚毛间隙处的流体泄漏量较小 时高流速区域紧贴刚毛表面在刚毛间隙处存在明显的低流速区域流体与刚毛之间的相对运动速度较大间隙涡明显增强说明刚毛间隙处的流体泄漏量较大 由图 可知 时刚毛左下方与右上方之间的压力差明显大于 时 综合以上分析可知在刚毛翼最常见的悬飞雷诺数下()黏性效应较强刚毛间隙泄漏明显减弱使得刚毛翼内外侧连通性较差、压差较大导致压力对升力系数的贡献明显大于 时图 和 时纯拍动阶段 .时刻的压力场对比.为阐明 时剪切力对升力系数的贡献明显大于 时的原因进行了以下量纲分析:/()/()/()/()/()()/()()式()中:为刚毛表面的无量纲剪切力 为流体的动力学黏度为流体通过刚毛间隙泄漏时相对于刚毛的平均流速为刚毛的绝对运动速度表示刚毛间隙处的流体泄漏率为雷诺数的函数定义为 /为基于刚毛直径的雷诺数定义为 /由式()可以看出刚毛表面的无量纲剪切力 总体上正比于/在刚毛翼常见的刚毛间隙()和可能面对的雷诺数(.)下根据两平行圆柱绕流理论尽管间隙泄漏率 随着 的增大而增大但其增加速率逐渐减小因此/和 随着 的增大而不断减小 时刚毛表面的无量纲剪切力和剪切力对升力系数的贡献明显大于 时.拍动 俯仰重叠率对升力系数的影响为研究刚毛翼常见雷诺数下()拍动 俯仰重叠率 对升力系数的影响在 下分别模拟了 、时的刚毛翼悬飞过程 其中平均升力系数随拍动 俯仰重叠率的变化和不同拍动 俯仰重叠率下瞬时升力系数随无量纲时间的变化分别如图 和图 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 平均升力系数随拍动 俯仰重叠率的变化.图 不同拍动 俯仰重叠率下升力系数随无量纲时间的变化.由图 可以看出平均升力系数随着拍动 俯仰重叠率的增大而增大 结合图 可知造成这一现象的主要原因在于:当 和 阶段的拍动 俯仰重叠率较低时(和)会在 和 中期形成负升力峰值随着拍动 俯仰重叠率的不断增大以上负升力峰值逐渐消失()并最终转变为正升力峰值(和)为进一步阐明上述负升力峰值的转变机制选取 阶段和 阶段在 时的负升力峰值时刻 .和 .分析对比了 和 时的流场 由于流场左右对称以下仅选取左翼进行分析 图 图 分别为 和时在 阶段 .时刻的升力系数及其压力与剪切力分量对比、速度场对比、涡量场对比、压力场对比以及剪切力竖直分量的分布情况对比 图 图 分别为 和 时在 阶段 .时刻的升力系数及其压力与剪切力分量对比、速度场对比、涡量场对比、压力场对比以及剪切力竖直分量的分布情况对比图 和 时在 阶段 .时刻的升力系数及其压力与剪切力分量对比.图 和 时在 阶段 .时刻的速度场对比.赵 磊等:刚毛翼拍合过程中复合运动对升力的影响图 和 时在 阶段 .时刻的涡量场对比.由图 图 可知当 时流体通过刚毛间隙向左侧泄漏时分别在刚毛左下方和右上方形成了局部低压区和局部高压区因此压差产生的合力指向左下方对升力的贡献为负而当 时流体通过刚毛间隙向右侧泄漏时在刚毛左下方形成了局部高压区而在右上方形成了局部低压区压差产生的合力指向右上方对升力的贡献为正此外结合图 和图 可知对于 中期当 时刚毛左上方和右下方的剪切力竖直分量均为负导致剪切力对升力的贡献为负而当 时前缘附近刚毛剪切力对升力的贡献为正而其他位置刚毛剪切力对升力的贡献为负图 和 时在 阶段 .时刻的压力场对比.图 和 时在 阶段 .时刻的剪切力竖直分量分布情况对比.对于 阶段中期()由图 可知当 时压力和剪切力对升力的贡献相当且均为负值随着 的不断增加当 时压力仍对升力存在一定的负向贡献但剪切力对升力的正向贡献更为显著导致刚毛产生了明显的正升力图 和 时在 阶段 .时刻的各刚毛升力系数及其压力与剪切力分量对比.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./由图 和图 可知对于 阶段中期当 时流场中的涡以刚毛间隙涡为主流体通过刚毛间隙向右泄漏当 时在拍动和俯仰运动的耦合作用下左右翼加速闭合在两翼之间产生的增压作用较为显著使得流场中同时存在明显的逆时针前缘涡、顺时针后缘涡和明显强于 时的刚毛间隙涡流体通过刚毛间隙向左泄漏图 和 时在 阶段 .时刻的速度场对比.图 和 时在 阶段 .时刻的涡量场对比.由图 可知 时刚毛左上方的高压区导致了负升力的产生 时流体通过刚毛间隙泄漏时在刚毛右侧形成了局部高压区且高压区随着刚毛位置远离前缘而向上移动导致压力对大部分刚毛的升力贡献为负值 与此同时由图 可知对于 中期 时刚毛表面大部分区域的剪切力竖直分量为负值导致剪切力对升力的贡献为负而 时刚毛表面大部分区域的剪切力竖直分量为正值导致剪切力对升力的贡献为正图 和 时在 阶段 .时刻的压力场对比.图 和 时在 阶段 .时刻的剪切力竖直分量分布情况对比.结论)时随着雷诺数的降低黏性效应明显增强刚毛间隙泄漏和刚毛翼内外侧连通性明显减弱导致刚毛翼内外侧压差增大压力对升力系数的贡献明显增强与此同时刚毛表面的无量纲剪切力同刚毛间隙泄漏率与雷诺数之比成正比与雷诺数呈负相关导致无量纲剪切力和剪切力对升力系数的贡献随着雷诺数的降低而明显增大)当拍动和俯仰运动无重叠时 和 阶段中期的涡以成对出现且方向相反的刚毛间隙涡为主流体泄漏方向与刚毛翼运动方向相同泄漏过程中产生的剪切力和压力对升力的贡献为负从而形成了明显的负升力峰值)当拍动 俯仰重叠率为 时 和 阶段中赵 磊等:刚毛翼拍合过程中复合运动对升力的影响期的流体泄漏方向与刚毛翼运动方向相反流场中同时存在明显的前缘涡、后缘涡和刚毛间隙涡其中 阶段在流体泄漏过程中产生了明显的竖直向上剪切力合力而 阶段则在流体泄漏过程中产生了明显的竖直向上压差导致 和 阶段的负升力峰值转变为正升力峰值平均升力系数明显增大参考文献:周林张忠海王建辉等.扑翼飞行器的研究现状与发展.兵器装备工程学报():.():.刘旭博王芬芬于纪言.扑翼飞行器柔性翅气动特性研究.兵器装备工程学报():.():.:.():.():.():.():.():.():.():.():.():.“”.():.:.():.科学编辑 刘超峰 博士(上海工程技术大学 副教授)责任编辑 涂顺泽兵 器 装 备 工 程 学 报:/./