[发明专利]一种基于二维平面悬停扑翼气动特性分析方法

说明书

本发明提供一种基于二维平面悬停扑翼气动特性分析方法，所述气动特性分析方法包括如下步骤：步骤1，研究方案的确定；步骤2，二维翼型的建模：选取低速翼型系列中的一标准翼型；步骤3，用户自定义函数UDF的设置：在步骤2的基础上，根据初选扑翼相位角和初选扑翼频率，采用控制变量法编译出多组不同的UDF函数；步骤4，升力系数和阻力系数的计算；步骤5，计算均值以及数值模拟结果分析；本发明提供的二维平面悬停扑翼气动特性分析方法可以模拟真实高频振动的生物薄翼在悬停时的气动特性；通过数值计算分析出平均升阻系数与频率和相位角的关系，从而优选出最合适的扑翼频率和相位角；对目前仿生扑翼飞行器的设计有着不可言表的意义。

技术领域

本发明属于飞行力学领域，具体涉及一种基于二维平面悬停扑翼气动特性分析方法。

背景技术

目前，在自然界中，存在着大量的可以飞行的生物，其中飞行的昆虫和鸟类接近一百万种，会飞行的鸟类接近十万种，这些会飞的生物，都是采取扑翼的方式进行飞行，而没有采取旋翼或者固定翼飞行，旋翼和固定翼是人造的机械驱动模式，因此可知，扑翼飞行是经过了时间的淘洗，在漫长的生物进化中存留下来的最传统的飞行方式，这种扑翼方式也是生物最优的飞行方式。扑翼飞行与固定翼和旋翼飞行相比，扑翼飞行能够将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统，使飞行器能够像蜻蜓、果蝇等昆虫那样自由的低速起飞、悬停、转弯、甚至掉头倒飞。科学家们很早就想到，运用仿生扑翼飞行机器人帮助我们对火星进行更精确的测量。由于火星上的空气相对来说比较稀薄，火星上的磁场也要比地球上的磁场微弱，现有的飞行器，有的配备了先进的火星探测装置，但是如果仅依靠磁场定位，飞行器的飞行遥控装置将无法准确的进行定位和导航，这就要求在火星上面活动的飞行器有较完善的导航系统，且能够进行自身的导航和飞行控制，这时扑翼飞行机器人反而能发挥巨大的作用。

生物界绝大多数会飞的昆虫都具有悬停飞行的能力，这是它们飞行的一项基本技能，这种悬停给人印象最深刻的就是蜻蜓点水时的悬停，看似静止，其实它的翅膀在高频的振动。果蝇也具有这种能力，它们在悬停飞行的时候，身体与水平面会具有一定的夹角，且夹角一般为30度到60度。虽然身体是倾斜的，但是它们的翅膀扑动时几乎是水平的，翅膀的拍动频率一般很大，可以达到几百赫兹。像果蝇，蜻蜓这类昆虫，通过翅膀高频率的拍打，获得了升力，这种气动力可以平衡自身的重量。因此，对较高频率下的昆虫的拍翼运动的研究，也就成为了揭露昆虫飞行机理的关键。

研究在低雷诺数的情况下，且在扑翼模型是建立在二维的基础上，通过研究其在运动过程中的气动力特性，可以使人们对自然界昆虫飞行特性有更深的了解，对目前仿生扑翼飞行器的设计有着不可言表的意义。

具体的说，本发明研究像蜻蜓、果蝇等昆虫翅膀的非定常扑动，从而影响翼型周围空气的非定常流动，从而影响了翼型周围的气动力会产生变化。研究该变化情况可以反映出翼型的受力情况。进而，通过改变翼型的扑动频率，可以得出在不同的频率下，翼型周围升力和阻力的变化情况。更进一步的，通过改变翼型扑动平面相对于水平面倾角大小，简洁的说也就是改变其相位角，可以得出不同相位角下，翼型周围升力和阻力的变化情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二维平面悬停扑翼气动特性分析方法以至少解决现有技术中存在的无法对高频振动的生物薄翼进行气动特性分析的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于二维平面悬停扑翼气动特性分析方法，所述气动特性分析方法包括如下步骤：

步骤1，研究方案的确定：

建立扑翼运动二维简化模型及运动方程，并利用FLUENT软件、用户自定义函数UDF和动网格技术，分析二维翼型在不同扑翼频率、不同相位角下的平均升力和阻力系数；

步骤2，二维翼型的建模：