CN108945428B - 基于非均匀柔度分布尾梢的扑翼升力/推力提升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非均匀柔度分布尾梢的扑翼升力/推力提升方法，属于微型仿生飞行器技术领域。该方法首先建立尾梢变形公式，接着，通过边界条件和无量纲参数的建立，及推导，得到调整均匀分布情况下的弯曲系数和非均匀系数即可改变尾梢柔度大小和分布的结论；扑翼扑动时，扑翼前缘形成的涡与尾梢接触并相互作用，进而改变扑翼表面的压强分布，改变安装在扑翼后缘的非均匀柔度分布的尾梢的柔度大小和分布后，不同的尾梢对扑翼表面压强的影响不同，通过本发明的方法可以优选出最大限度提升扑翼升力/推力的尾梢，从而有效提高扑翼式微型飞行器的扑翼气动性能，有益于该类微型飞行器的进一步推广和应用。
Description
技术领域
本发明属于微型仿生飞行器技术领域，涉及一种基于非均匀柔度分布尾梢的扑翼升力/推力提升方法。
背景技术
自然界的鸟类\昆虫借助拍动的翅膀完成起飞、滑行和着落等一系列过程。受其启发，美国早在上个世纪90年代便提出了微型仿生飞行器(MAV)的概念。
不同与传统的固定翼飞行器，MAV通过扑翼运动就可以使飞行器同时产生升力和推力。这种新型的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。由于理论发展和实际应用的重要性，近三十年来，众多学者对MAV的机理、特性等进行了大量研究，而MAV仿生扑翼流场的研究则是关键的环节。
然而，由于仿生扑翼流场的复杂性以及来流与扑翼的相互作用，对扑翼气动性能的研究变得更为复杂。总体来说，仿生扑翼的特点可概括为小尺度特性和低雷诺数飞行，其中，研究低雷诺数下的飞行特性是一项关键的技术难题。
目前，针对该问题，学者们的研究重心在增强扑翼稳定性、提高升力和推力特性等方面。而大部分的研究工作主要是从运动参数、扑翼形状、周围环境等方面来提高扑翼的气动特性，对扑翼在运动过程中的弹性变形考虑得很少(一般的研究过程中，将扑翼视为刚性体，不考虑变形)，类比鸟类\昆虫的翅膀在拍动过程中，翅膀的尾梢部位在与周遭气流的相互作用下会发生变形的。尾梢的变形过程对扑翼的气动性能有一定影响，因此，有必要对其进行研究，以优化扑翼的气动性能。
发明内容
针对现有的仿生扑翼气动性能研究不够充分、对扑翼上的尾梢关注很少，扑翼升力/推力有待进一步提高的现状，本发明提出一种基于非均匀柔度分布尾梢的扑翼升力/推力提升方法，该方法通过改变安装在扑翼后缘的尾梢的柔度大小和分布，改变扑翼表面的压强分布，从而提升扑翼的升力/推力。
本发明采用的技术方案为：
基于非均匀柔度分布尾梢的扑翼升力/推力提升方法，该方法通过改变安装于扑翼后缘处的非均匀柔度分布的弹性尾梢的柔度的大小和分布，改变扑翼表面的压强分布，进而提升扑翼的升力/推力。
进一步地，所述提升扑翼升力/推力的方法具体为：
尾梢在运动的过程中与周围的流体相互作用，发生变形；定义弹性尾梢的位置向量为X(s,t)，其变形的数学表达式为：
其中，s是沿着尾梢的体轴系坐标，ρs是尾梢的线性密度，T是沿着尾梢的张力，Kb是弯曲系数，F是周围流体对尾梢的作用力向量，t是时间；
在尾梢与扑翼后缘的链接处，使用简支边界条件，即：
在尾梢的自由端，利用如下条件：
此外，定义两个与尾梢属性有关的无量纲参数：质量比
和频率比
它们的数学表达式分别为：
其中，ρ是自由来流的密度，L是尾梢的长度，
是尾梢的第一固有频率，f是扑翼的运动频率；
当尾梢上的柔度分布变成非均匀时，Kb不是常数；考虑三种不同的非均匀分布情况，相应的，Kb的数学表达式为：
1)线性分布
2)非线性分布
3)分段式分布
其中，Kb0是均匀分布情况下的弯曲系数，g是非线性函数，sm是尾梢的中点位置，S是非均匀系数；
通过调整Kb0，使得尾梢的固有频率ωn发生变化，进而使得
产生相应的变化，从而改变弹性尾梢的柔度大小；
调整S，使得Kb成非均匀分布，从而改变尾梢柔度的分布情况。
本发明的有益效果在于：
本发明首先建立尾梢变形公式，并通过边界条件和无量纲参数的建立，及推导，得到调整均匀分布情况下的弯曲系数和非均匀系数即可改变尾梢柔度大小和分布的结论；扑翼扑动时，扑翼前缘形成的涡与尾梢接触并相互作用，改变安装在刚性仿生扑翼的后缘处的尾梢的柔度大小和分布情况后，尾梢在运动的过程中与周围的流体相互作用，同时，影响扑翼表面的压强分布，不同柔度大小或分布的尾梢对扑翼表面压强分布产生不同影响，扑翼的受力也产生相应的变化，进而达到提升扑翼的升力/推力的目的；
此外，通过本发明的方法还可以对不同柔度大小或分布的尾梢进行研究对比，优选出能最大化提高扑翼式微型飞行器气动性能的尾梢，从而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是装有非均匀柔度分布尾梢的仿生扑翼运动示意图，其中，图1(a)是扑翼前缘涡与尾梢接触并相互作用的涡量图，图1(b)是扑翼表面的压强分布图；
图2是三种不同的非均匀柔度分布图；
图3是均匀柔度分布下，扑翼的平均推力系数
随频率比
变化的关系图；
图4是三种不同的非均匀柔度分布下，扑翼的平均推力系数
随非均匀系数S变化的关系图；
图5是三种不同的非均匀柔度分布下，扑翼的最大升力系数
随非均匀系数S变化的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方法作进一步的详细说明。
基于非均匀柔度分布尾梢的扑翼升力/推力提升方法，
如图1所示，在仿生扑翼的后缘装有非均匀柔度分布的尾梢，扑翼前缘形成的涡与尾梢接触并相互作用(图1(a))，使得扑翼周围的流场速度分布产生变化，根据伯努利方程可知，这样扑翼表面的压强分布就会发生改变(图1(b))；调整尾梢的柔度大小和分布情况后，不同的尾梢柔度大小和分布情况使得扑翼的受力产生相应的变化，进而提高扑翼的升力/推力。
尾梢在运动的过程中与周围的流体相互作用，会发生变形；定义弹性尾梢的位置向量为X(s,t)，其变形的数学表达式为：
其中，s是沿着尾梢的体轴系坐标，ρs是尾梢的线性密度，T是沿着尾梢的张力，Kb是弯曲系数，F是周围流体对尾梢的作用力向量，t是时间；
在尾梢与扑翼后缘的链接处，使用简支边界条件，即：
在尾梢的自由端，利用如下条件：
此外，定义两个与尾梢属性有关的无量纲参数：质量比
和频率比
它们的数学表达式分别为：
其中，ρ是自由来流的密度，L是尾梢的长度，
是尾梢的第一固有频率，f是扑翼的运动频率；
本实施例中，尾梢的质量比为
尾梢长度为扑翼弦长的1/3。
当尾梢上的柔度分布变成非均匀时，Kb不是常数；考虑三种不同的非均匀分布情况，相应的，Kb的数学表达式为：
1)线性分布
2)非线性分布
3)分段式分布
其中，Kb0是均匀分布情况下的弯曲系数，g是非线性函数，sm是尾梢的中点位置，S是非均匀系数。图2给出了非均匀系数S＝0.8时，三种不同的非均匀柔度分布下，弯曲系数Kb沿着尾梢的变化图。
通过选择不同属性的尾梢材料以调整Kb0，使得尾梢的固有频率ωn发生变化，进而使得频率比
产生相应的变化，从而改变弹性尾梢的柔度大小；
同时选择多个不同属性的尾梢材料以调整非均匀系数S，使得弯曲系数Kb呈非均匀分布，从而改变尾梢柔度的分布情况。
此外，扑翼同时作沉浮和俯仰运动，其中，沉浮运动采用余弦变化模式，俯仰运动采用正弦变化模式，其转动轴位于1/3弦长处。
经过一系列的数值实验，尾梢柔度在均匀分布的情况下，柔度的最优值是
如图3所示，此时的扑翼平均推力系数
达到最大值；
在此基础上，当把尾梢的柔度分布变成非均匀时，平均推力系数
和最大升力系数
随不同的非均匀分布方式和非均匀系数S的变化而变化，如图4和5所示；柔度均匀分布的尾梢相比于无尾梢的情况，平均推力系数
从0.26提高至0.273，最大升力系数
从1.92提升至2.08；
进一步地，从图4和5可知，当柔度采用线性分布时，相比于分段式分布和非线性分布，线性分布在S＝0.4时，扑翼的平均推力系数
和最大升力系数
均达到最大，能最大程度地提升推力和升力。同时，相较于无尾梢情况，推力和升力分别提升了7％和11％。
Claims (1)
1.基于非均匀柔度分布尾梢的扑翼升力/推力提升方法，其特征在于，
通过改变安装于扑翼后缘处的非均匀柔度分布尾梢的柔度的大小和分布，改变扑翼表面的压强分布，从而提升扑翼的升力/推力；
所述提升扑翼升力/推力的方法具体为：
尾梢在运动的过程中与周围的流体相互作用，发生变形；定义弹性尾梢的位置向量为X(s,t)，其变形的数学表达式为：
其中，s是沿着尾梢的体轴系坐标，ρs是尾梢的线性密度，T是沿着尾梢的张力，Kb是弯曲系数，F是周围流体对尾梢的作用力向量，t是时间；
在尾梢与扑翼后缘的链接处，使用简支边界条件，即：
在尾梢的自由端，利用如下条件：
此外，定义两个与尾梢属性有关的无量纲参数：质量比
和频率比
两者的数学表达式分别为：
其中，ρ是自由来流的密度，L是尾梢的长度，
是尾梢的第一固有频率，f是扑翼的运动频率；
当尾梢上的柔度分布变成非均匀时，Kb不是常数；考虑三种不同的非均匀分布情况，相应的，Kb的数学表达式为：
1)线性分布
2)非线性分布
3)分段式分布
其中，Kb0是均匀分布情况下的弯曲系数，g是非线性函数，sm是尾梢的中点位置，S是非均匀系数；
通过调整Kb0，使得尾梢的固有频率ωn发生变化，进而使得
产生相应的变化，从而改变弹性尾梢的柔度大小；
通过调整S，使得Kb成非均匀分布，从而改变尾梢柔度的分布。
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