本文選題：自主飛行 + 仿生鳥��； 參考：《大連理工大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：自然界中的鳥類擁有完美的飛行能力,比現(xiàn)有的人造飛行器高效靈活,但撲翼飛行也比固定翼飛行復(fù)雜得多。研究并分析撲翼鳥身體的主被動(dòng)變形與三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)之間的相互作用,以及由此對(duì)鳥體飛行姿態(tài)產(chǎn)生的影響,對(duì)進(jìn)一步理解升力的產(chǎn)生機(jī)理以及促進(jìn)微型飛行器的發(fā)展都具有重大意義。然而,在以往研究中無(wú)論是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)還是計(jì)算機(jī)模擬,真實(shí)或人造飛行物(或翅膀)的軀干(或翅根)總是被固定在特定位置,整體不能平移或者轉(zhuǎn)動(dòng),這種研究與真實(shí)飛行相差甚遠(yuǎn)。本文在粘性不可壓縮流體中實(shí)現(xiàn)了仿生鳥由靜止起飛到自主飛行的數(shù)值模擬,并對(duì)整個(gè)飛行過(guò)程進(jìn)行了分析,更以此為工具測(cè)試了翅膀的拍動(dòng)規(guī)律和尾巴的姿態(tài)對(duì)飛行狀態(tài)的影響。計(jì)算流體力學(xué)軟件包主要包含以下算法：以動(dòng)力學(xué)控制方程和三維粘性不可壓縮非定常Navier-Stokes方程共同構(gòu)成自主飛行的控制方程,并應(yīng)用有限體積法對(duì)后者求解,在時(shí)間和空間上分別通過(guò)分?jǐn)?shù)步投影法和多層次八叉樹網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合多重網(wǎng)格加密技術(shù)進(jìn)行離散,應(yīng)用ghost-cell浸入邊界法處理動(dòng)邊界問(wèn)題,并結(jié)合自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)來(lái)節(jié)省計(jì)算資源,提高計(jì)算效率。應(yīng)用這個(gè)軟件包,本研究成功地模擬了仿生鳥的自主飛行。數(shù)值模擬中的仿生鳥依靠翅膀的拍動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)提供驅(qū)動(dòng)力和升力,在飛行中完全自由——有6個(gè)自由度。鳥體的質(zhì)心隨時(shí)間不停地變化,飛行滿足動(dòng)量守恒和角動(dòng)量守恒。借此分析了仿生鳥飛行在周圍流場(chǎng)中產(chǎn)生的尾渦的演化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)尾渦分為三類：在翅膀前緣形成的渦、在翅膀后緣形成的渦和在軀干、尾巴和翅根附近形成的渦；其中,前兩類渦構(gòu)成了尾渦的主體,第三類渦非常弱,卻是自主飛行所特有的；整個(gè)尾渦的演化與仿生鳥的運(yùn)動(dòng)具有一致的周期性特征。通過(guò)分析翅膀的運(yùn)動(dòng)與周圍流場(chǎng)中的渦結(jié)構(gòu)、所受外力以及飛行特征之間的聯(lián)系,得出以下結(jié)論：(a)飛行中鳥體受到的合外力主要來(lái)自于翅膀的運(yùn)動(dòng),同時(shí)也主要作用在翅膀上；(b)影響仿生鳥向前直飛狀態(tài)最重要的因素有：合外力沿x軸方向與z軸方向的分量和俯仰角；(c)翅膀的周期性運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生了周期性變化的合外力和力矩,從而使仿生鳥呈現(xiàn)出周期性變化的飛行狀態(tài)。本文分別對(duì)翅膀運(yùn)動(dòng)的六個(gè)參數(shù)——運(yùn)動(dòng)頻率、拍動(dòng)幅度和轉(zhuǎn)動(dòng)幅度、拍動(dòng)平衡位置和轉(zhuǎn)動(dòng)平衡位置以及在一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng),進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：(a)增大翅膀的運(yùn)動(dòng)頻率或拍動(dòng)幅度,或者選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)幅度,可以同時(shí)增大沿x軸方向和z軸方向的速度分量;(b)在一定范圍內(nèi)微調(diào)翅膀的拍動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)平衡位置,可以改變沿x軸方向和z軸方向上速度分量的大小;(c)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)同樣會(huì)影響到仿生鳥的飛行狀態(tài),尤其是過(guò)短的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)會(huì)嚴(yán)重影響飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性。本研究還分析了初始俯仰角以及尾巴與軀干所成角度對(duì)飛行過(guò)程中鳥體俯仰角的影響：前者的主要影響限于起飛后很有限的一段時(shí)間內(nèi),而后者的影響則貫穿于整個(gè)自主飛行過(guò)程;而且后者對(duì)驅(qū)動(dòng)力和升力并無(wú)太大的直接影響。
[Abstract]:This paper deals with the dynamic control equation and three - dimensional viscous incompressible unsteady Navier - Stokes equations .
The first two types of vortices constitute the main body of the tail vortex , and the third type of vortex is very weak , but it is characteristic of autonomous flight ;
Through the analysis of the relationship between the movement of the wing and the vortex structure in the surrounding flow field , the external force and the flying characteristics , the following conclusions are drawn : ( a ) the external force of the bird in flight is mainly derived from the movement of the wings , and also mainly on the wings ;
( b ) The most important factors that affect the forward flying state of bionic birds are : the component and pitch angle of the external force in the x - axis direction and the z - axis direction ;
( c ) The influence of the initial pitch angle and the angle of the tail and the trunk on the flying state of the bird ' s body in the X - axis direction and the z - axis direction can be changed .
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB17

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本文編號(hào)：2070376