模拟昆虫前飞拍翼非定常气动力特性的数值分析

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本文从原始变量形式的二维不可压Navier-Stokes方程出发,采用速度修正时间差分格式和空间离散的Galerkin有限元方法数值模拟了均匀来流中翼型的平动和旋转振荡绕流问题,研究了昆虫前飞时的非定常空气动力学特性。 通过数值模拟前飞状态下的拍翼运动,考察了前进比、拍翼平面倾斜角、拍翼幅值、转动角幅值、转轴点位置以及平动和旋转间相位差等参数对气动力特性的影响。研究发现,倾斜的挥拍平面是引起昆虫前飞拍翼非对称气动特性的主要因素,倾斜角和前进比的增大都可以加剧这种非对称性;拍翼幅值和转动角幅值也是昆虫用来调节气动力特性的重要手段。在不同的前飞速度下,拍翼幅值对气动力特性有着不同的影响;转轴点位置越靠近前缘获得的升力和推力越大,但消耗的气动功率也更大。研究表明,超前模式的气动性能最佳,有助于得到更高的升力和推力。 通过对“O”字型、“U”字形,“8”字形轨迹拍翼的研究发现,拍翼轨迹可以影响非定常力的变化规律:下拍初期,顺时针“O”字型轨迹有助于得到高升力;下拍中期,正“8”字型轨迹拍翼有益于得到高升力;在上挥初期,逆时针“O”字型轨迹和反“8”字型轨迹拍翼有益于得到高推力;上挥中期,正“U”字型轨迹拍翼能产生较高的推力。拍翼轨迹还可改变时均气动性能:顺时针“O”字型有助于得到高升力,逆时针“O”字型和正“U”字形可以得到高推力。
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