地面效应和孔径效应下低雷诺数扑翼飞行气动特性研究

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扑翼昆虫飞行的空气动力学机理复杂而有趣,一直是研究中的热点。通过研究昆虫飞行的非定常气动特性可有力促进微型飞行器(MAV)的发展,具有重大的科研和民用前景。昆虫飞行时通过翅膀上下拍动,形成强烈的前缘涡(LEV),能够有效提升升力,其升力数值比定常情况下大很多,足以平衡昆虫的重量。  本文意在探究低雷诺数昆虫扑翼飞行中,运动参数的变化对漩涡分布以及升阻力系数的影响,在此基础上,进一步研究地面效应,墙壁效应以及地面开孔情况下对漩涡分布等气动特性的影响。  本文中针对雷诺数为100,运动模式为normal-flapping model的二维扑翼模型,参数无量纲化,通过Fluent商业软件求解不可压Navier-Stokes方程,分别数值模拟不同相位差,拍动幅度和旋转中心条件下漩涡分布情况以及升阻力系数变化趋势。后续选取不同的离地间隙,墙壁间隙和孔径间隙来对比分析地面效应,墙壁效应和孔径大小对气动特性的影响。  研究发现翅膀的运动参数会明显影响漩涡分布情况,前缘涡则会明显影响升阻力系数。当地面间隙小于2个弦长时,地面效应会明显影响尾缘涡的分布情况,增大升阻力系数,在2~3个弦长时会降低升阻力系数,大于3个弦长是地面效应逐渐消失。墙壁效应则对漩涡分布和气动参数影响不大。孔径的存在会明显影响尾缘涡的分布情况,随着孔径的增大,升阻力系数均明显降低,逐渐趋近于标准值。
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