CN108860597A - 一种采用环量控制增升的扑翼式获能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用环量控制增升的扑翼式获能装置。扑翼具有上翼面、下翼面、前缘和尾缘，尾缘为半圆弧形，上翼面的靠近尾缘处开设上喷口，下翼面的靠近尾缘处开设下喷口，上喷口和下喷口为对称式，上喷口、下喷口与设于扑翼内部的射流装置相连，射流装置包括依次相连的气压泵、管道、交替阀和射流通道，射流通道包括对称的上通道和下通道，分别与上喷口和下喷口相通；当扑翼从最高位置向下做升沉运动、或从最低位置向上做升沉运动时，在交替阀控制下，射流经过下通道从下喷口喷出、或经过上通道从上喷口喷出。射流与外界气流混合后沿着弯曲的半圆形尾缘表面形成附壁效应，可使环量增加，扑翼的升力显著增加，从而提高获能效率。

Description

一种采用环量控制增升的扑翼式获能装置
技术领域
本发明涉及扑翼获能装置，特别是一种采用环量控制增升的扑翼式获能装置。
背景技术
扑翼是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行器类型的重要结构。该类飞行器与固定翼和旋翼飞行相比，具有的独特优点如下：可原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能，以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。
自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。扑翼运动可以看作是翼型在平面内的升沉平动和绕平动平面内一点的俯仰运动的合运动，升力与阻力的合力在竖直方向上的分量，即升沉力对扑翼做功，在一定条件下可以实现获能，其中升力对获能效率影响较大，提高升力，可以提高获能效率。
现有的专利项目，如授权公告号为CN 107021222 A的发明专利，公布了一种自活动襟翼的扑翼获能装置，其包括能量采集部件、扑翼、主轴，两个扑翼通过主轴连接形成一整体，两个扑翼上的主轴置于能量采集部件中间，扑翼可绕主轴旋转，以及整体可沿竖直方向升沉运动，能量采集部件通过主轴的运动来获取扑翼传递的能量。扑翼的近尾缘内部开有矩形槽，矩形槽中装有带浮子的活动襟翼，活动襟翼的浮体处于矩形槽内的水中。本发明将襟翼应用于扑翼获能装置上，增加了翼型的弯度，提高了翼型的升力系数，从而提高了获能效率，但能量采集部件、扑翼、主轴、活动襟翼等均为分开的部件，通过连接形成整体，不能作为统一的整体，结构比较复杂，扑翼获能装置的制造成本较高。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种采用环量控制增升的扑翼式获能装置，本扑翼式获能装置为一整体，结构简单，体积较小，降低了装置的制造成本。
本发明的技术方案为：
一种采用环量控制增升的扑翼式获能装置，所述扑翼具有上翼面、下翼面、前缘和尾缘，所述尾缘为半圆弧形，所述上翼面的靠近尾缘处开设上喷口，所述下翼面的靠近尾缘处开设下喷口，所述上喷口和下喷口为对称式，所述上喷口、下喷口与设于扑翼内部的射流装置相连，所述射流装置包括依次相连的气压泵、管道、交替阀和射流通道，所述射流通道包括对称的上通道和下通道，分别与上喷口和下喷口相通；当所述扑翼从最高位置向下做升沉运动、扑翼尾缘位于前缘上方时，所述交替阀控制上通道关闭、下通道打开，射流经过下通道从下喷口喷出；当所述扑翼从最低位置向上做升沉运动、扑翼前缘位于尾缘上方时，所述交替阀控制下通道关闭、上通道打开，射流经过上通道从上喷口喷出。
所述上通道和下通道构成半圆弧形，其内侧边与尾缘的半圆弧形相对应构成整的圆形。
所述上喷口、下喷口分别位于上翼面、下翼面的自前缘的70％-80％弦长处。
所述上喷口、下喷口的高度为弦长的0.2％-0.3％。
所述射流速度Uj与射流的动量系数Cu、射流的质量流量m、流动压q、扑翼弦长c的关系为：Uj＝Cuqc/m，所述Cu为0.02-0.03。
本发明的扑翼获能装置在上、下翼面的靠近后缘位置开设射流喷口，同时将尾缘形状修改为半圆弧形，当扑翼从最高位置向下、或最低位置向上做升沉运动时，在扑翼内部空腔形成高压气流，并通过吸力面喷口沿翼面切向产生射流。根据柯恩达效应，射流与外界气流混合后沿着弯曲的半圆形尾缘表面形成附壁效应，通过增加速度和流线路径，出现前后驻点不断靠近的趋势，可使环量增加，升力提高。本发明将环量控制技术应用于扑翼上，可使扑翼的升力显著增加，从而提高获能效率。
附图说明
图1为本发明采用环量控制增升的扑翼式获能装置整体结构示意图；
图2为本发明采用环量控制增升的扑翼式获能装置尾缘部结构示意图；
图3为本发明扑翼式获能装置从最高位置向下做升沉运动的运动示意图；
图4为本发明扑翼式获能装置从最低位置向上做升沉运动的运动示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
参考图1，本发明的采用环量控制增升的扑翼式获能装置，扑翼具有上翼面71、下翼面72、前缘8和尾缘6，尾缘6为半圆弧形，扑翼内部设有射流装置10，射流装置10内部可形成高压射流。
参考图2，上翼面71的靠近尾缘6处开设上喷口51，下翼面72的靠近尾缘6处开设下喷口52，上喷口51和下喷口52为对称式，并与射流装置10相连。射流装置10包括依次相连的气压泵1、管道2、交替阀3和射流通道，射流通道包括对称的上通道41和下通道42，分别与上喷口51和下喷口52相通。交替阀3可控制上通道41打开、下通道42关闭，射流只从上通道41喷出，或上通道41关闭、下通道42打开，射流只从下通道42喷出。
参考图3，当扑翼从最高位置向下做升沉运动、同时绕自身一点做俯仰运动时，扑翼俯仰运动的水平线为L1，扑翼的尾缘6、前缘8分别位于水平线L的上方和下方，俯仰角θt的范围为：0≤θt≤θ0(θ0是最大俯仰角)，扑翼的下翼面72为吸力面，交替阀3控制上通道41关闭、下通道42打开，射流经过下通道42从下喷口52喷出，增大扑翼的环量，提高下翼面72的升力。
参考图4，当扑翼从最低位置向上做升沉运动、同时绕自身一点做俯仰运动时，扑翼俯仰运动的水平线为L2，扑翼的前缘8、尾缘6分别位于水平线L2的上方和下方，俯仰角θt的范围为：-θ0≤θt≤0(θ0是最大俯仰角)，扑翼的上翼面71为吸力面，交替阀3控制下通道42关闭、上通道41打开，射流经过上通道41从上喷口51喷出，增大扑翼的环量，提高上翼面71的升力。
由此，在扑翼的整个运动周期内，随着扑翼的上下升沉运动，射流交替从上喷口51或下喷口52喷出，根据柯恩达效应，射流与外界气流混合后沿着弯曲的半圆形尾缘6表面形成附壁效应，通过增加速度和流线路径，出现前后驻点不断靠近的趋势，可使环量增加，扑翼的升力显著增加，从而提高获能效率。
为了达到最佳的喷射效果，上通道41和下通道42构成半圆弧形，其内侧边与尾缘6的半圆弧形相对应构成整的圆形，保证扑翼在上下运动过程中，射流完全贴合尾缘流动，保证最佳的增量效果，获能效率最高。
上喷口51、下喷口52分别位于上翼面71、下翼面72的自前缘8的70％-80％弦长处。实验证明，在这个位置施加环量射流的效果最好。同时，上喷口51、下喷口52的最佳高度为弦长的0.2％-0.3％。
为了取得理想的射流速度，射流速度Uj与射流的动量系数Cu、射流的质量流量m、流动压q、扑翼弦长c的关系为：Uj＝Cuqc/m，Cu为0.02-0.03。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种采用环量控制增升的扑翼式获能装置，其特征在于，所述扑翼具有上翼面(71)、下翼面(72)、前缘(8)和尾缘(6)，所述尾缘(6)为半圆弧形，所述上翼面(71)的靠近尾缘(6)处开设上喷口(51)，所述下翼面(72)的靠近尾缘(6)处开设下喷口(52)，所述上喷口(51)和下喷口(52)为对称式，所述上喷口(51)、下喷口(52)与设于扑翼内部的射流装置(10)相连，所述射流装置(10)包括依次相连的气压泵(1)、管道(2)、交替阀(3)和射流通道，所述射流通道包括对称的上通道(41)和下通道(42)，分别与上喷口(51)和下喷口(52)相通；当所述扑翼从最高位置向下做升沉运动、扑翼尾缘(6)位于前缘(8)上方时，所述交替阀(3)控制上通道(41)关闭、下通道(42)打开，射流经过下通道(42)从下喷口(52)喷出；当所述扑翼从最低位置向上做升沉运动、扑翼前缘(8)位于尾缘(6)上方时，所述交替阀(3)控制下通道(42)关闭、上通道(41)打开，射流经过上通道(41)从上喷口(51)喷出。
2.根据权利要求1所述的扑翼获能装置，其特征在于，所述上通道(41)和下通道(42)构成半圆弧形，其内侧边与尾缘(6)的半圆弧形相对应构成整的圆形。
3.根据权利要求1所述的扑翼获能装置，其特征在于，所述上喷口(51)、下喷口(52)分别位于上翼面(71)、下翼面(72)的自前缘(8)的70％-80％弦长处。
4.根据权利要求1所述的扑翼获能装置，其特征在于，所述上喷口(51)、下喷口(52)的高度为弦长的0.2％-0.3％。
5.根据权利要求1所述的扑翼获能装置，其特征在于，所述射流速度Uj与射流的动量系数Cu、射流的质量流量m、流动压q、扑翼弦长c的关系为：Uj＝Cuqc/m，所述Cu为0.02-0.03。
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