牛婷婷,李战东,于浩云
沈阳航空航天大学民用航空学院，沈阳，110136
摘要：由于扑翼飞行器在众多领域中具有不可估量的发展前景，是世界许多科研机构重点研发对象。为提高飞行器的飞行性能，分析不同鸟类的分析特点，运用Solidsworks软件构建出单段式、两段式、三段式和拍式四翼单段式的翅翼模型，然后在Fluent软件中进行三维模型瞬态气动性能分析，采用UDF自定义函数和动网格进行仿真模拟计算，得到了不同翅翼的升力系数、阻力系数和升阻比，并对翅翼表面压力场进行分析。由此可知，翅翼自由度越大，翅翼表面相对最大压力值随着翅翼自由度增加而增大，相对最小压力值随着减小。
关键词：扑翼飞行器，翅翼结构，Fluent，气动性能
Abstract：A flapping wing aircraft has an immeasurable development prospect in many fields, which is a key research and development object of many scientific research institutions in the world. In order to improve the flight performance of the aircraft the flighting characteristics of different birds was analyzed, and the single section, two-stage, three-stage and beat type four wing single section wing models was constructed by Solidsworks. Then, the transient aerodynamic performance of the three-dimensional model was analyzed in fluent software. The UDF function and dynamic grid were used to simulate and calculate the lift coefficient of different wings. The pressure field on the wing surface was analyzed. It can be seen that the larger the degree of freedom of the wing is, the greater the value of the relative maximum pressure on the surface of the wing increased, while the relative minimum pressure value decreased.
Keywords：Flapping wing aircraft, wing structure, Fluent, aerodynamic performance
1.绪论
微型飞行器(MAV)概念是20世纪90年代才开始提出的，根据其翼型运动方式的不同可以分为3类，分别为固定翼、旋翼和扑翼。其中固定翼和旋翼是两种常规飞行普遍采用的方式，两者都是通过机翼产生升力；扑翼微型飞行器并不常见，但自然界中的鸟类和昆虫广泛采用这种飞行方式，被认为是生物进化的最优飞行方式，它的升力产生机理与固定翼和旋翼有很大的不同[1]。
与普通无人机相比，由于扑翼机具有体积小，隐蔽性好，重量轻，成本低，功能强，携带方便，操作简单等优点，因此无论在军事领域还是在民用领域，它都有十分诱人的应用前景[2]。德国FESTO公司已研制出能像鸟一样飞行的扑翼飞行器机械海鸥[3]。荷兰戴夫技术大学开发的微型昆虫机器人DelFly，该机器人采用蜜蜂飞行的“Weis-Fogh”机制，模仿蜜蜂飞行时翅膀快速合并与分离产生前缘涡并产生升力[4]。哈佛大学的 Wood 教授于 2007 年研制出了世界上第一台借助导轨成功起飞的昆虫尺度的扑翼微飞行器[5]。在国内，近年来有多所科研机构从事扑翼飞行器的研发工作，例如孙卫等通过研究蜻蜓飞行机理，建立了蜻蜓扑翼飞行器的动力学模型。西北工业大学的“信鸽”，南京航空航天大学的仿鸟柔性扑翼飞行器，哈尔滨工业大学的大尺寸仿鸟飞行器，上海交通大学的仿昆虫扑翼飞行器[6]。
扑翼是MAV的产生升力和前进力的重要因素，设计的扑翼尽可能结构轻巧，这样，一方面可以减轻自身的重力，另一方面使得扑翼在拍打过程中不至于撕裂[7]，因此对于扑翼飞行器的气动性能研究也是重要议题。扑翼飞行器对空气动力学问题的研究还处于起步阶段，还没有具体的理论和经验公式可以遵循。常规飞行器的飞行雷诺数约在107左右，而扑翼飞行器由于尺寸小、速度低，其飞行雷诺数远小于普通的飞行器，范围一般为102~104。飞行雷诺数反映了施加在飞行器上的惯性作用力与粘滞作用力之比。Wang等利用N-S方程的数值模拟证明了强非定常运动中，非定常气动力主要是翼表面的压强分布所致，粘性对气动力的影响很小[8]。Tay 通过数值研究发现，在昆虫尺寸下，双层扑翼飞行器比单层翼的机身起伏波动更小，因此双层扑翼比单层扑翼更适合搭载视觉传感器等任务载荷[9]。
在本文中，从仿生学的角度来研究扑翼机的翅膀结构设计和气动性能分析。首先，研究多种鸟类和昆虫的飞行特征，分别建立单段式、两段式、三段式和扑动四段式的扑翼飞行器翅翼模型。然后借助Fluent软件，通过动网格技术，计算在不同扑动函数下的飞行器气动性能。最后，根据计算结果，整理出结论，对现实的扑翼飞行器设计具有指导性意义。
2.翅翼结构设计
鸟类的飞行模式是通过翅膀扑动产生升力，从而使得鸟类能做爬升、巡航、俯冲三种飞行模式的切换，达到飞行运动。在一个扑动周期内，翅翼可分为下扑和上扑。在下扑时，翅翼完全展开，会产生较大的升力，占据扑动周期的较长时间，而对于上扑，起始点是下扑到最低点。为了更好的模型鸟类飞行特点，在本结中，根据不同鸟类翅膀的结构特点，分别建立单段式、两段式、三段式和扑动四段式的翅翼模型，如图1所示。
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图1 扑翼飞行器翅翼模型
3.翅翼气动性能分析
运用CFD分析软件Fluent对微型扑翼飞行器的翅膀的简化机械结构模型进行仿真分析，分析研究在进口空气流速、扑动的幅度相同的情况下，对翅膀进行气动性能仿真分析。
根据已有三维翅翼模型，构建翅翼流体仿真的计算域。计算域可分为两部分，一部分是翅翼周围的内流场区域，其尺寸为1.5L×1.5L×0.5L（L为翅翼的弦长），另外一部分是外流场区域，其尺寸为10L×10L×4L，如图2所示。
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图2 翅翼模型的计算域
在对计算域进行网格划分时，为了适应翅翼模型的复杂性，采用非结构网格对内流场进行划分，而为了保证计算效率，采用结构网格对外流场进行划分。同时，计算域的入口设置为velocity-inlet，出口设置outlet，其它边界都设置为wall。
通过编写UDF自定义函数定义翅膀模型的规律，通过瞬态计算，可以得到翅翼模型升力系数、阻力系数随时间变化的规律，其计算结果如表1所示。
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翅翼在流场中扑动时，翅翼表面的压力场也会发生变化，通过计算，可以得到不同结构翅翼的压强变化云图，如图3所示。
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图4 不同翅翼压强云图
根据图4可知，图（a）~（d）的相对压力最大值分别为28.0368pa、73.9828pa、81.8962pa和10.6899pa，最小值为-45.8575pa、-81.5262pa、-162.913pa、-20.5361pa。计算结果证明，在相同工况条件下，随着翅翼的自由度增加，相对压力最大值也会增加，而相对压力的最小值会随着减小。
结论
在本文中，通过SolidWorks软件对单段式、双段式、三段式以及拍式四翼单段式的翅翼进行建模。以翅翼三维模型为基础，通过fluent软件对其进行气动性能分析，得到了不同结构翅翼的升力系数、阻力系数以及升阻比。并对翅翼表面压力云图进行分析，证明了相对最大压力值随着翅翼自由度增加而增大，相对最小压力值随着减小。
参考文献
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资金资助：沈阳航空航天大学省级大学生创新创业训练计划，项目标号：S202010143033