CN108583874A - 一种基于非对称运动及涡相互作用的翼型推力提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非对称运动及涡相互作用的翼型推力提升方法，属于微型仿生飞行器技术领域。以往扑动翼的气动性能研究主要集中在翼型外形、周围环境等方面，而本发明的翼型推力提升方法利用了翼型的运动轨迹以及翼型与涡之间的相互作用。该方法包括如下步骤：首先，将扑动翼放置在壁面附近，使扑动翼脱落下来的涡与壁面接触反弹后，再与扑动翼相互作用；然后，增加扑动翼的前后滑移运动模式，使其运动轨迹发生改变；最后，调整扑动翼的沉浮运动模式，使其运动的速度出现非对称性，从而调整并优化扑动翼表面的压力布局，达到提升扑动翼推力的目的，提高扑动翼飞行器的性能。

Description

一种基于非对称运动及涡相互作用的翼型推力提升方法

技术领域

本发明涉及一种基于非对称运动及涡相互作用的翼型推力提升方法，属于微型仿生飞行器技术领域。

背景技术

在自然界中，大多数鸟类、昆虫借助拍动的翅膀完成起飞过程。受仿生学启发，美国于1992年提出微型仿生飞行器(MAV)的概念。经过不断的发展，微型飞行器已由一开始的固定翼演变为新型的扑动翼。相比固定翼，扑动翼仅仅通过扑动的双翼作为动力系统就可以使飞行器集举升和推进于一体。这种新型的扑动翼仿生飞行器可实时传输图像、自主飞行，在军事和民用领域占据重要的位置，成为当前受广泛关注的热点之一。

然而，由于扑动翼流场的复杂性以及来流与翼型的相互作用，对扑动翼的气动性能分析变得非常不易。总体来说，它的特征可概括为小尺度和低雷诺数飞行，其中，研究低雷诺数下的飞行特性是一项技术难题。目前，在增强翼型稳定性、提高升力和推力特性等方面，人们开展了一系列研究。

但是，大部分研究主要是从运动参数、翼型外形、周围环境等方面来提高翼型的气动特性，对翼型的运动轨迹关注很少，同时对翼型与涡的相互作用的研究也还不够全面。因此，有必要关注运动轨迹以及涡的相互作用对扑动翼气动性能的影响。

发明内容

针对现有的扑动翼气动性能研究不够充分、扑动翼推力有待继续提高的现状，本发明提出一种基于非对称运动及涡相互作用的翼型推力提升方法，该方法有效地提高了扑动翼式微型飞行器的性能。

本发明采用以下技术方案实现：

一种基于非对称运动及涡相互作用的翼型推力提升方法，包括以下步骤：

一、将扑动翼放置在壁面附近，使扑动翼脱落下来的涡与壁面接触反弹后，再与扑动翼相互作用，进而改变扑动翼表面的压力分布状况，最终使扑动翼受力发生变化；

二、增加扑动翼的前后滑移运动模式，使其运动轨迹发生改变；

三、调整扑动翼的沉浮运动模式，使其运动的速度出现非对称性。

进一步地，步骤二具体为：

扑动翼的前后滑移运动采用正弦变化模式，定义滑移位置为s(t)，其数学表达式为：

s(t)＝s_m sin(k_s·2πft)

其中，s_m是扑动翼前后滑移运动的幅值，k_s是前后滑移运动频率的调整参数，f是扑动翼的运动频率，t是时间；

通过调整s_m和k_s的值，扑动翼的运动轨迹会发生变化，相应地，扑动翼的受力也会产生改变。

进一步地，步骤三具体为：

扑动翼的俯仰运动按常规采用正弦变化模式，而沉浮运动则采用类余弦变化模式，使其在一个周期运动的下行程速度增大或者减小；

定义俯仰角为θ(t)，定义沉浮位置为h(t)，俯仰运动的数学表达式为：

θ(t)＝θ_m sin(2πft)

沉浮运动的数学表达式为：

其中，θ_m是扑动翼俯仰运动的幅值，h₀是扑动翼转轴离壁面的平均距离，h_m是扑动翼沉浮运动的幅值，f是扑动翼的运动频率，t是时间；t^*＝ft-int(ft)，其中，int表示取整；S是非对称运动系数；

通过调整h₀和S，扑动翼会与涡相互作用并且使得其受力在一个周期内变得不对称，最终使扑动翼受力的平均值发生变化。

本发明的有益效果在于：

本发明将扑动翼放置在壁面附近以产生涡相互作用，增加扑动翼的前后滑移运动以改变运动轨迹，使用类余弦变化模式的沉浮运动以形成非对称的运动速度，达到调整并优化扑动翼表面的压力布局的目的，填补了翼型运动轨迹以及翼型与涡相互作用方面研究的空白，提升了扑动翼推力，从而有效地提高了扑动翼式微型飞行器的性能，有益于该类微型飞行器的进一步推广和应用。

附图说明

图1是扑动翼产生的涡与扑动翼相互作用的涡量图；

图2是扑动翼表面的压力分布图；

图3是不同的非对称运动系数S下的俯仰角θ变化图；

图4是不同的前后滑移运动频率调整参数k_s下平均扑动翼的平均推力系数随前后滑移运动幅值s_m变化的关系图；

图5是不同的扑动翼转轴离壁面平均距离h₀下平均扑动翼的平均推力系数随非对称运动系数S变化的关系图；

图中标识：c-扑动翼的弦长；θ(t)-俯仰角；h(t)-沉浮位置；S-非对称运动系数；k_s-前后滑移运动频率调整参数；-平均推力系数；s_m-前后滑移运动幅值；h₀-扑动翼转轴离壁面平均距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的翼型推力提升方法主要通过三个步骤实现：

一、如图1所示，将扑动翼放置在壁面附近，使得扑动翼脱落下来的涡与壁面发生接触，反弹之后再与扑动翼相互作用，进而改变扑动翼表面的压力分布状况，最终使扑动翼受力发生变化，参见图2。

二、扑动翼的前后滑移运动采用正弦变化模式，定义滑移位置为s(t)，其数学表达式为：

s(t)＝s_m sin(k_s·2πft)

其中，s_m是扑动翼前后滑移运动的幅值，k_s是前后滑移运动频率的调整参数，f是扑动翼的运动频率，t是时间；

通过调整s_m和k_s的值，扑动翼的运动轨迹会发生变化，相应地，扑动翼的受力也会产生改变。

三、扑动翼的俯仰运动按常规采用正弦变化模式，沉浮运动则采用类余弦变化模式，调整扑动翼的沉浮运动模式，使其在一个周期运动的下行程速度增大或者减小；扑动翼的转动轴位于1/4弦长处；

定义俯仰角为θ(t)，定义沉浮位置为h(t)，则俯仰运动的数学表达式为：

θ(t)＝θ_m sin(2πft)

沉浮运动的数学表达式为：

其中，θ_m是扑动翼俯仰运动的幅值，h₀是扑动翼转轴离壁面的平均距离，h_m是扑动翼沉浮运动的幅值，f是扑动翼的运动频率，t是时间；t^*＝ft-int(ft)，其中，int表示取整；S是非对称运动系数；

通过调整h₀和S，扑动翼会与涡相互作用并且使得其受力在一个周期内变得不对称，最终使其受力的平均值发生变化。

如图3所示，S＝0.4表示下行程运动速度增大，它只消耗整个运动周期40％的时间；S＝0.6表示下行程运动速度减小，它需要消耗整个运动周期60％的时间；S＝0.5则表示上下行程的速度是对称的。

经过一系列数值实验发现，固定h_m＝c(c是扑动翼的弦长)，θ_m＝30°和f＝0.2后，当仅增加前后滑移运动时，平均推力系数会随滑移幅度s_m和滑移频率调整参数k_s的变化而变化。

如图4所示，为了最大程度地提升推力，取k_s＝2，而s_m不宜太大，取s_m/c≤0.2。在此基础上，当把扑动翼置于壁面附近并使沉浮运动呈现非对称时，平均推力系数还会随转轴离壁面平均距离h₀和非对称运动系数S的变化而变化。

如图5所示，为了最大程度地提升推力，h₀不宜太小，取h₀/c＝1.5，而S＞0.7。

Claims (3)

1.一种基于非对称运动及涡相互作用的翼型推力提升方法，其特征在于，包括如下步骤：

一、将扑动翼放置在壁面附近，使扑动翼脱落下来的涡与壁面接触反弹后，再与扑动翼相互作用；

二、增加扑动翼的前后滑移运动模式，使其运动轨迹发生改变；

三、调整扑动翼的沉浮运动模式，使其运动的速度出现非对称性。

2.根据权利要求1所述的一种基于非对称运动及涡相互作用的翼型推力提升方法，其特征在于，步骤二具体为：

扑动翼的前后滑移运动采用正弦变化模式，定义滑移位置为s(t)，其数学表达式为：

s(t)＝s_msin(k_s·2πft)

其中，s_m是扑动翼前后滑移运动的幅值，k_s是前后滑移运动频率的调整参数，f是扑动翼的运动频率，t是时间；

通过调整s_m和k_s的值，扑动翼的运动轨迹会发生变化，相应地，扑动翼的受力也会产生改变。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于非对称运动及涡相互作用的翼型推力提升方法，其特征在于，步骤三具体为：

扑动翼的俯仰运动按常规采用正弦变化模式，而沉浮运动则采用类余弦变化模式，使其在一个周期运动的下行程速度增大或者减小；

定义俯仰角为θ(t)，定义沉浮位置为h(t)，俯仰运动的数学表达式为：

θ(t)＝θ_msin(2πft)

沉浮运动的数学表达式为：

其中，θ_m是扑动翼俯仰运动的幅值，h₀是扑动翼转轴离壁面的平均距离，h_m是扑动翼沉浮运动的幅值，f是扑动翼的运动频率，t是时间；t^*＝ft-int(ft)，其中，int表示取整；S是非对称运动系数；

通过调整h₀和S，扑动翼会与涡相互作用并且使得其受力在一个周期内变得不对称，最终使扑动翼受力的平均值发生变化。