论文摘要：蝴蝶机电仿生模型悬停飞行的流体力学实验研究

昆虫在低雷诺数环境下具备的卓越飞行本领，是同尺度人造飞行器所难以比拟的。因此，流体力学实验被应用于探索昆虫飞行的高升力机理，希望能为微型飞行器的气动布局设计及控制方式提供新概念。虽然已得出的升力理论已经能够解释大部分的升力来源，但在两个关键问题：前缘涡描述及展向流的存在问题上还存在争议。另外，对于蝴蝶这种在外形及运动模式上都非常特殊的昆虫还研究较少。因此，本文的主要目的有三个：一是对蝴蝶悬停飞行状态下的前缘涡结构及展向流发展情况做细致的观测；二是研究蝴蝶特殊的运动模式下蕴含的流动机理；三是初步探索翼几何形状（翼形）的变化对流动的影响。 为了避免以往拍动翼实验中忽略身体影响而可能导致流动结构发生变化等问题，本次实验中采用了整体拍动模型（即同时包括身体和翅膀），并针对蝴蝶特殊的运动模式设计了全新的驱动机构。在实验方法上，首先运用染色液流动显示技术，对所考察的各种情况下前缘涡的发展过程作了系统观测，并在此基础之上，有针对性地进行了定量的DSPIV（数字体视粒子图像测速技术）测量。DSPIV实验的观测内容主要包括两部分：一是下拍过程中身体中轴面上的时间发展序列（同一切面，多个相位：0.125T，0.25T，0.375T，0.5T）；二是下拍达到最大速度时（0.25T）整个翼面上的位置发展序列（同一相位，多个切面）——数据后处理过程中对测得的系列2D/3C速度切面进行了空间重构，得到了覆盖整个模型的空间速度场（3D/3C），并采用了多种计算及显示方法，获取了丰富的流场信息。 结果发现： 1. 在蝴蝶在悬停飞行的过程中，在下拍时的上翼面及上拍时的下翼面均有前缘涡产生，且为柱状连通结构，而不是传统的锥状结构；在拍动之初（0-0.2T）有多前缘涡结构产生，且在此过程中涡达到了最大强度（0.125T），之后持续衰减，但前缘涡始终保持在上翼面上，几乎持续了整个下拍过程（0-0.46T）； 2. 考察的各种情况下得到的前缘涡均存在展向速度，但受到翼尖绕流的影响，此展向速度只在靠近翼根的一定范围内存在，且先增大，再逐渐减小，最后消失。实验发现：涡在越靠近翼面压力梯度最大的位置（即指向翼尖的最大展长处）上形成，其获得的展向速度越大，越有利于涡的维持； 3. 在对蝴蝶特有翅膀拍动、身体俯仰，及身体上下振动3种运动产生的流动结构进行比较分析后发现：翅膀拍动导致的“合拢-打开”效应是连通涡产生的关键；身体俯仰运动能使产生的涡结构卷起的尺寸更大、并使其形成的位置在弦向上更靠近身体质心，有利于获得更大的展向速度，延长涡的维持时间；而身体上下振动会增强前缘的绕流速度，使卷起的涡强度和尺寸更大，同时，由于下拍过程中身体振动引起的流动与身体夹角为钝角，模型头部卷起的涡容易向身体斜上方脱落，可能是形成多前缘涡结构的原因； 4. 实验在基本翼形的基础上考察了两种特殊翼形：前缘前掠及前缘后掠，发现翼形变化对流动产生的影响主要体现在两个方面：一方面导致翼尖位置变化从而改变展向流形成的位置或指向；另一方面对前缘涡的维持会起到不同的作用，结果显示：基本翼形最适合进行常规飞行；具有大前掠前缘的翼形应该适用于需要瞬时高升力的飞行情况；而后掠的翼形能否产生足够的升力支持飞行善需进一步证实。

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