柔性扑翼自推进的数值研究

• 作 者: 朱晓钰
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 浸入边界方法 数值振荡 柔性扑翼 自推进

为了提高微型飞行器和水下航行器的性能，人类需要更好的认识自然界生物的推进机制。生物推进高性能的机制能够指导微型飞行器和水下航行器的设计。扑翼推进是自然界生物通常采用的一种推进方式，如鸟类、鱼类和一些昆虫;柔性是扑翼广泛具有的生理特征，鸟类、昆虫的翅膀和鱼鳍都具有各种各样的刚度系数。目前柔性对扑翼推进的作用还不是很清楚，这就需要我们详细了解柔性扑翼对周围流场的作用，以及流场怎样使扑翼变形，综合来说就是认识流固耦合的特点和效应。目前的实验方法还不能精确测量流场结构和受力分布，数值模拟方法能够获得准确详细的流场和受力信息。　　
柔性扑翼自推进的数值模拟是求解扑翼运动和周围流场变化的结合。这一过程具有复杂几何形状、大变形、被动柔性三个困难。针对柔性扑翼的特点，我们发展了一种直接力浸入边界方法，可以有效的处理二维三维流固耦合问题，在此基础上，本文研究了柔性对扑翼推进性能的影响，主要成果包括以下几点:　　
1.传统的直接力浸入边界方法边界无滑移条件满足程度不高;并且压力摩擦力分布存在沿空间的振荡。本文发展了一种直接力浸入边界方法，此方法基于离散流函数算法，通过(1)在每个时间步采用拉格朗日力修正;(2)在拉格朗日坐标系下采用交错网格的方式，实现了比原方法更高的边界条件精度和光滑的压力摩擦力空间分布。　　
2.本文实现了扑翼自推进的流固耦合模拟并且详细分析了柔性对扑翼自推进性能的影响，通过对柔性扑翼自推进的推进速度、功率以及效率分析，本文发现(1)柔性比刚性情况下的推进性能显著提高;(2)驱动频率和扑翼本征频率共振时的推进效率并不是最高，共振时扑翼的变形很大，这时流动分离也较大。效率最高发生在驱动频率和本征频率比为0.5处，这时扑翼呈现流线型，所以效率较高;(3)扑翼推进有三种形式:周期向前推进型，周期向后推进型和无周期型，每种运动形式和扑翼形状相关;(4)尾迹有对称型和斜涡街型。　　
本文的创新点为:　　
(1)发展了直接力浸入边界方法，得到光滑的力的分布。　　
(2)发现柔性显著提高扑翼自推进性能。　　
本文发展的直接力浸入边界法可用于各种流固耦合的计算;而研究柔性对推进性能和影响为设计微型飞行器和水下自动航行器有一定的指导意义。