摘要：褶皱对昆虫机翼空气动力学的影响

本文采用计算流体动力学的方法研究褶皱对昆虫翅膀气动力的影响：首先，研究昆虫（蜻蜓）滑翔飞行时褶皱对翅膀气动力的影响。雷诺数范围从 200 到 2400。我们考虑了有和没有变形的机翼，变形只包括外倾角。我们比较了褶皱和光滑翅片的气动力，并分析了流场和表面压力分布。结果表明，无论机翼是否变形，机翼褶皱的气动效果都是降低升力，而阻力变化不大（攻角为15-25度时，升力降低约 15%；在迎角，升力减少的百分比变大，因为升力更小）。在机翼不变形的情况下，两个原因共同导致升力降低：一是褶皱机翼下翼型的褶皱产生比较强的涡流，导致下翼型出现低压区。二是上翼型上靠近褶皱鳍前缘的褶皱将前缘分离的边界层向外推，增大了上翼型上分离泡的尺寸，进而导致减少或增加上翼型的吸力。外倾角不会改变褶皱对褶皱机翼下翼型的气动效应，但会降低机翼前缘的有效迎角，造成褶皱对褶皱机翼上翼型的气动效应翼微不足道。其次，我们研究了昆虫扑翼飞行（悬停和向前飞行）过程中褶皱对机翼空气动力学的影响。我们还考虑了有和没有变形的机翼，包括外倾角和扭转。与滑翔一样，我们比较了褶皱和光滑机翼的空气动力、流场和表面压力分布。结果表明，在一个扑动循环中，褶皱机翼的气动力和气动功率与光滑机翼非常接近。折叠减少了空气动力，但比滑翔更大行程时间小（气动力降低6%左右），对气动力影响小。气动力降低的主要原因与滑翔相同：褶皱机翼下方的翼型褶皱会产生更强的涡流，从而导致比光滑机翼更低的压力。褶边的影响比滑翔小，因为机翼以大迎角拍动，气流被大范围分离，使其对机翼表面的褶边不太敏感。最后，我们研究了昆虫飞行过程中翅膀变形（弯度和扭转）和褶皱（滑翔飞行和扑翼飞行）的气动效应，并探讨了是否可以使用刚性板来研究昆虫翅膀对现有变形和褶皱的气动力真实的翅膀是近似的。通过比较刚性平翅和变形褶皱翅的气动力，我们发现当昆虫拍打和飞行（并以大迎角滑翔）时，变形和褶皱的综合气动力效应很小，气动力引起的两者加起来变化不超过5%。这主要是因为褶皱的气动效果不好，而变形的气动效果很好，两种效果可以相互抵消。因此，在昆虫扑翼飞行（和大迎角滑翔）的空气动力学研究中，刚性板可用于近似真实机翼。

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