發(fā)布時(shí)間：2017-08-14 04:18

  本文關(guān)鍵詞：基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的蜜蜂飛行機(jī)理研究

  更多相關(guān)文章： 蜜蜂 風(fēng)洞 渦 流場顯示實(shí)驗(yàn) 數(shù)值模擬

【摘要】：微型撲翼飛行器具有體積小、功耗低和機(jī)動(dòng)靈活性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，能在復(fù)雜地形和惡劣環(huán)境下完成普通飛行器無法完成的任務(wù)，可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、航空攝影和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，因此對撲翼飛行機(jī)制的研究有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。本文借鑒自然界中的飛行生物研究撲翼飛行的機(jī)理，選取蜜蜂為研究對象，采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，對蜜蜂的飛行機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。論文的主要研究工作如下： （1）設(shè)計(jì)并制作了用于小型昆蟲流場顯示實(shí)驗(yàn)的低速風(fēng)洞。為保證風(fēng)洞的流場品質(zhì)，研究了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)散段和收縮段的尺寸對流場品質(zhì)規(guī)律的影響，確定了風(fēng)洞各段的最佳尺寸，選擇了維多辛斯基曲線作為收縮曲線線型；為降低湍流度，保證氣流的平穩(wěn)性，在穩(wěn)定段和動(dòng)力段添加了蜂窩器和阻尼網(wǎng)；設(shè)計(jì)并調(diào)試了發(fā)煙裝置，對高速攝像機(jī)和燈光進(jìn)行了合理的實(shí)驗(yàn)布局，開發(fā)了完整的流場顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 （2）在低速煙風(fēng)洞中，采用兩臺(tái)高速攝像機(jī)同步拍攝蜜蜂，獲得了蜜蜂的振翅規(guī)律；利用煙線法研究了蜜蜂振翅時(shí)的遠(yuǎn)場和近場流場的變化特征，研究了尾跡渦對誘導(dǎo)速度的影響，提出了蜜蜂振翅時(shí)渦的演變規(guī)律。翅下拍時(shí)，連續(xù)的翅尖渦尾跡形成渦管；翅外旋時(shí)，產(chǎn)生下拍停止渦與上拍啟動(dòng)渦；翅的弦向變形使得前、后翅尾緣處的渦量方向相反；下拍末期，前緣渦最明顯，由翅根至翅尖方向前緣渦的尺寸是遞增的；在蜜蜂振翅的下拍末期，左、右翅上各有一渦環(huán)，渦環(huán)由沿著翅展的前緣渦、翅尖渦尾跡渦管和翅根渦尾跡組成；根據(jù)渦環(huán)計(jì)算的升力大于蜜蜂的重力，這表明蜜蜂振翅產(chǎn)生的升力，不僅能夠維持自身重力，還可攜帶一定的重物進(jìn)行飛行。 （3）建立了蜜蜂模型和坐標(biāo)系，基于蜜蜂的振翅規(guī)律給出了翅的運(yùn)動(dòng)方程，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值模擬計(jì)算了蜜蜂振翅時(shí)的流場。數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：翅在拍動(dòng)時(shí)，翅上附著有前緣渦、翅尖渦、翅根渦和尾緣渦；翅下拍末期，由翅根至翅尖，前緣渦的尺寸增大，與翅尖渦連接在一起；下拍末期，尾緣處存在下拍停止渦，會(huì)降低升力，上拍初期，尾緣處存在上拍啟動(dòng)渦，能夠提高升力；下拍末期，在左（右）翅上，翅尖渦尾跡、翅根渦尾跡和翅面附近的渦量能夠組成完整的渦環(huán)，且渦環(huán)為圓形。此外，數(shù)值結(jié)果還表明：翅的旋轉(zhuǎn)使得前緣渦在上（下）拍末期尺寸達(dá)到最大；在上拍末期，上拍期間形成的翅尖渦尾跡、翅根渦尾跡和翅邊界處的渦量連接在一起形成耳狀渦環(huán)；在上拍渦環(huán)和下拍渦環(huán)的中心，均有垂直于渦環(huán)平面向下的射流。 （4）基于實(shí)體蜜蜂翅，建立了蜜蜂翅模型及翅的坐標(biāo)系，，定義了翅的升力、推力、氣動(dòng)功率和慣性功率；數(shù)值模擬計(jì)算對比了單翅模型、雙翅模型和整體蜜蜂模型的力和功率，結(jié)果表明左、右翅的相互作用以及蜜蜂身體均對單個(gè)翅的氣動(dòng)影響可忽略不計(jì)；針對蜜蜂單翅模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算分析了頻率、最大拍動(dòng)角、中期攻角、翻轉(zhuǎn)時(shí)刻和旋轉(zhuǎn)軸位置等不同影響因素對氣動(dòng)力和功率的變化規(guī)律。研究結(jié)果為將來研制微型仿生撲翼器有一定的指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：蜜蜂 風(fēng)洞 渦 流場顯示實(shí)驗(yàn) 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V211.74
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-40
• 1.1 研究背景及意義14-16
• 1.2 撲翼研究的發(fā)展現(xiàn)狀16-21
• 1.3 撲翼飛行的氣動(dòng)機(jī)制21-31
• 1.3.1 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析21-22
• 1.3.2 合攏打開和剝離打開22-24
• 1.3.3 前緣渦與展向流24-28
• 1.3.4 尾跡效應(yīng)28-31
• 1.4 渦的基本理論31-33
• 1.4.1 環(huán)量與渦31
• 1.4.2 Helmholtz 第一定理31-32
• 1.4.3 Biot-Savart 定理32-33
• 1.5 蜜蜂結(jié)構(gòu)與飛行特點(diǎn)33-38
• 1.5.1 蜜蜂的結(jié)構(gòu)33-35
• 1.5.2 周期運(yùn)動(dòng)35-36
• 1.5.3 拍動(dòng)平面36-37
• 1.5.4 翅的扭轉(zhuǎn)37-38
• 1.6 論文的研究內(nèi)容38-40
• 第二章 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場品質(zhì)的影響規(guī)律研究40-66
• 2.1 引言40-41
• 2.2 風(fēng)洞的整體結(jié)構(gòu)41-42
• 2.3 風(fēng)洞流場品質(zhì)的評價(jià)指標(biāo)42-43
• 2.4 實(shí)驗(yàn)段尺寸對流場品質(zhì)規(guī)律的影響43-52
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)段尺寸、模型及邊界條件43-45
• 2.4.2 實(shí)驗(yàn)段截面邊長對流場品質(zhì)規(guī)律的影響45-48
• 2.4.3 實(shí)驗(yàn)段長度對流場品質(zhì)規(guī)律的影響48-51
• 2.4.4 實(shí)驗(yàn)段尺寸的確定51-52
• 2.5 擴(kuò)散段尺寸對流場品質(zhì)規(guī)律的影響52-57
• 2.5.1 擴(kuò)散段尺寸、模型及邊界條件52-53
• 2.5.2 擴(kuò)散段長度對擴(kuò)散段出口流場品質(zhì)規(guī)律的影響53-55
• 2.5.3 擴(kuò)散段長度對擴(kuò)散段入口流場品質(zhì)規(guī)律的影響55-56
• 2.5.4 擴(kuò)散段尺寸的確定56-57
• 2.6 收縮曲線及收縮比對流場品質(zhì)規(guī)律的影響57-64
• 2.6.1 收縮段模型及邊界條件57-58
• 2.6.2 收縮曲線對流場品質(zhì)規(guī)律的影響58-61
• 2.6.3 收縮比對流場品質(zhì)規(guī)律的影響61-63
• 2.6.4 收縮段尺寸的確定63-64
• 2.7 風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)參數(shù)及流場品質(zhì)驗(yàn)證64-65
• 2.8 本章小結(jié)65-66
• 第三章 流場顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)66-79
• 3.1 引言66-68
• 3.2 煙線顯示的意義68-70
• 3.3 整流裝置70-72
• 3.3.1 喇叭口和穩(wěn)定段70
• 3.3.2 蜂窩器和阻尼網(wǎng)70-71
• 3.3.3 動(dòng)力段71-72
• 3.4 發(fā)煙裝置72-73
• 3.5 建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)73-75
• 3.6 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)對象75-76
• 3.7 流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)76-78
• 3.7.1 圓柱繞流實(shí)驗(yàn)76-77
• 3.7.2 蜜蜂流場顯示實(shí)驗(yàn)77-78
• 3.8 本章小結(jié)78-79
• 第四章 基于蜜蜂流場顯示實(shí)驗(yàn)的渦演變規(guī)律79-106
• 4.1 引言79-81
• 4.2 蜜蜂的振翅規(guī)律81-85
• 4.2.1 直線與投影關(guān)系81-82
• 4.2.2 蜜蜂的坐標(biāo)系82-84
• 4.2.3 蜜蜂的拍動(dòng)角84-85
• 4.3 蜜蜂振翅的遠(yuǎn)場流場結(jié)構(gòu)85-96
• 4.3.1 蜜蜂周期振翅的流場顯示實(shí)驗(yàn)分析85-91
• 4.3.2 下拍停止渦與上拍啟動(dòng)渦91-93
• 4.3.3 翅扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的尾緣渦對93-96
• 4.4 蜜蜂振翅的近場流場結(jié)構(gòu)96-102
• 4.4.1 蜜蜂周期振翅的流場顯示實(shí)驗(yàn)分析96-98
• 4.4.2 前緣渦98-100
• 4.4.3 下拍停止渦與上拍啟動(dòng)渦100
• 4.4.4 翅尖渦100-102
• 4.5 蜜蜂振翅的渦102-105
• 4.5.1 翅旋轉(zhuǎn)階段產(chǎn)生的尾緣渦102-103
• 4.5.2 下拍渦環(huán)與平均升力103-105
• 4.6 本章小結(jié)105-106
• 第五章 蜜蜂飛行時(shí)渦演變規(guī)律的仿真驗(yàn)證106-131
• 5.1 引言106-108
• 5.2 蜜蜂模型的坐標(biāo)系108-109
• 5.3 翅的運(yùn)動(dòng)方程109-115
• 5.3.1 簡諧運(yùn)動(dòng)方程109-110
• 5.3.2 中期拍動(dòng)速度和攻角不變的方程110-113
• 5.3.3 提前、對稱和延遲翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方程113-115
• 5.4 邊界條件和求解器115-118
• 5.5 計(jì)算有效性驗(yàn)證118-120
• 5.6 渦現(xiàn)象分析120-129
• 5.6.1 蜜蜂振翅產(chǎn)生的渦120-123
• 5.6.2 前緣渦123-125
• 5.6.3 下拍停止渦與上拍啟動(dòng)渦125-126
• 5.6.4 渦環(huán)126-129
• 5.7 本章小結(jié)129-131
• 第六章 蜜蜂翅模型的力和功率分析131-159
• 6.1 引言131-132
• 6.2 氣動(dòng)力和功率分析132-135
• 6.2.1 翅的氣動(dòng)力132-133
• 6.2.2 翅的功率133-135
• 6.3 蜜蜂身體、雙翅和單翅對力和功率的影響135-140
• 6.3.1 單翅與雙翅對力和功率的影響135-139
• 6.3.2 蜜蜂身體對氣動(dòng)力和功率的影響139-140
• 6.4 典型算例140-144
• 6.5 力和功率的影響因素144-157
• 6.5.1 頻率144-145
• 6.5.2 最大拍動(dòng)角和中期攻角145-150
• 6.5.3 T1150-152
• 6.5.4 T2152-153
• 6.5.5 翻轉(zhuǎn)時(shí)刻153-155
• 6.5.6 旋轉(zhuǎn)軸位置155-157
• 6.6 本章小結(jié)157-159
• 結(jié)論與展望159-163
• 本文結(jié)論159-161
• 創(chuàng)新點(diǎn)161
• 展望161-163
• 參考文獻(xiàn)163-178
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單178-179
• 致謝179

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：670712