从气动建模、设计变量参数化和优化方法策略等方面,论述了仿生飞行器非定常气动优化设计技术的应用和发展,总结了不同优化设计方法的优缺点,分析了发展趋势和未来的研究重点,为进一步开展仿生飞行器气动优化设计研究提供参考。

扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行方式的新型飞行器.翼型参数设计对提高扑翼飞行器性能至关重要,为研究扑翼翼型厚度和翼型弯度对前飞扑翼气动性能的影响,基于自然界中飞行生物的实验观测结果建立了前飞扑翼气动特性计算模型,针对不同厚度和弯度的NACA系列标准翼型,采用计算流体力学方法求解二维不可压缩非定常Navier-Stokes方程,基于有限体积法并结合动态网格技术,分析了低雷诺数条件下对应不同来流速度的刚性前飞扑翼气动力、能耗、气动效率以及周围流场结构随翼型厚度和弯度的变化规律.结果表明,不同来流速度条件下扑翼推力和能耗均随翼型厚度的增大而逐渐减小,随着翼型厚度的增大,扑翼推进效率最大降幅达15.9%;翼型厚度的增加,降低了前缘涡强度并延迟了前缘涡的脱落.翼型弯度可以改变翼型的有效气动攻角,翼型弯度的增加可以显...

为了克服传统计算流体力学代理模型不能有效模拟流体力学高度非线性系统的困难,解决现有基于深度学习的代理模型难以有效处理时间顺序信息的问题,以扑翼飞行器的二维翼型为研究对象,基于门控循环单元(GRU)与多层感知机,建立扑翼非定常气动参数的快速预测模型,实现对扑翼扑动时高度非定常、非线性气动参数的实时预测.使用计算流体力学方法获得扑翼二维翼型扑动时的气动参数,以该参数为样本训练预测模型.将扑翼的扑动振幅、频率、摆动角度与运动时间输入预测模型,快速得到扑翼在对应扑动状态下的升力、阻力与力矩.实验结果表明,所建立的预测模型精度高、计算速度快,能够实现对扑翼非定常气动参数变化的实时高精度预测.

参照典型鸽子翅翼的参数特征,构建鸽状翅翼模型并得出扑翅角度函数。而后借助Fluent软件,采用动网格技术,对扑翅过程中的流场状态进行数值计算,得到了翅翼扑动中的升力、阻力变化特点;基于仿真得到的升阻力系数曲线,分析扑翅运动过程中升阻力变化特征,并从不同角度展示并分析了翅翼扑扇过程中涡的动态过程。分析了升阻力系数随攻角的变化特性,并以实际鸟类飞行姿态为对比依据,证实仿真结果的合理性。

柔性对生物的运动起着至关重要的作用,例如鸟类的飞行和鱼类的游动.对柔性的研究有利于深刻地认识一些动物的运动机制和制造高效推进的仿生机器.文章在侧向自由弹性细丝的模型基础上,对不同柔性细丝的气动效能进行了研究.数值模拟结果表明,在Karman涡街中,细丝的阻力系数随着其柔性减小而减小,细丝尾端的振幅随着其柔性减小而增大.结果还表明,在一定范围的Reynolds数下,减小细丝柔性,细丝由在涡核之间穿梭摆动运动模式变成在涡街外侧摆动运动模式,其尾涡的对称性也发生了明显的变化.

自然界中很多飞鸟采用扑翼飞行方式。利用二维平板模拟翅膀扑动运动,研究厚度对平板气动性能的影响。在给定的雷诺数Re、斯特劳哈数St和运动形式下,分析平板与涡的相互作用。研究发现,厚度的改变影响了涡脱落的时间以及脱落涡的强度。在一定厚度变化范围内,平板升力系数和推力系数幅值随厚度的增加而降低。

以所研制的两自由度扑翼飞行器为研究对象,将飞行器扑动角和扭转角变化曲线拟合后写入用户自定义功能(UDF)程序耦合到Fluent流体求解器中,分析扑翼运动时产生的平均升力系数、推力系数和能量系数,并将分析结果与单自由度扑翼飞行器进行对比。结果表明:两自由度扑翼的平均升力系数比单自由度扑翼提高了1.88倍,平均推力系数提高了1.75倍。同时,两自由度扑翼平均能量系数降低了27.5%,具有更好的举升效率和推进效率,说明所设计的两自由度扑翼飞行器能产生足够飞行的升力,比传统的单自由度扑翼飞行器具有更好的气动性能。

传统双层扑翼飞行器大多依靠水平尾翼进行纵向控制,提出一种利用翅膀的二自由度运动状态切换对纵向气动力矢量进行控制的方法。首先,利用数值仿真对扑翼飞行器的气动力和流场进行了计算,分析了翅膀扑动、翅膀俯仰运动对非定常气动力分量的影响;其次,从翼面涡的运动、翼面压力分布等方面,对气动力分量的控制机理进行了研究。结果表明,双层扑翼飞行器的轴向力主要与翅膀俯仰运动有关,飞行器法向力主要受上下翅膀的非对称涡的影响,而非对称涡主要来自与上、下翅膀的非对称扑动。通过翅膀运动状态的切换,双层扑翼飞行器的时均气动力矢量可在机身纵平面0~180°范围内调节。最后通过一组对比实验验证了所得结论。

该文主要采用BLU-SGS混合动态网格隐式算法进行时间推进,空间离散采用二阶迎风格式的有限体积法。求解非定常Navier-Stokes方程,完成了二维不可压缩流场的数值模拟。在该基础上,通过积分计算的形式得到整个机翼平面的气动力,研究揭示了不同扑动频率、风速参数、减缩频率、雷诺数与飞行气动效率的关系,表明参数的合理调试对仿生扑翼飞行器的有效飞行起到重要影响。针对不同参数条件,研究分析了气动力以及气动效率结果,为后续气动特性问题的研究提供参考。

微型扑翼飞行机器人飞行时的气动力是主要的性能指标，低雷诺数下的空气动力学还没有成熟的理论和经验公式可以遵循，因此需要设计并验证了一个微型扑翼飞行机器人气动力测试系统：采用2个位于水平和垂直方向的力传感器作为敏感元件分别测量微型扑翼飞行机器人飞行时的推力和升力，使用两个柔性铰链分离垂直、水平方向的气动力，降低非测力方向力对力传感器的影响。文末给出并分析了该系统用于微型扑翼飞行机器人气动力测试的实测推力和升力。