CN114048696A - 一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法 - Google Patents

一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种“扑动‑划动‑扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法。其特征在于包括以下步骤：步骤1.建立飞行器机翼三维模型，结合空气动力学理论和相关经验公式确定流场计算域；步骤2.将机翼和计算域三维模型导入Ansys软件中，对其进行网格划分和流体分析；步骤3.根据仿真结果进行后处理，对飞行器气动性能进行分析。本发明所述方法操作简单，运算速度快，准确性高，对扑翼飞行器的气动性能仿真分析能够达到比较好的效果，在对扑翼飞行器结构进行设计的优化过程中的能够提供较为直观的解决方案，提高解决问题的效率。

Description

一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法
技术领域
本发明属于扑翼飞行器领域，涉及计算流体力学在扑翼飞行器中的应用，具体地说是一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法。
背景技术
扑翼是基于仿生学原理设计制造的一种新型飞行器的重要结构，扑翼飞行方式囊括了固定翼飞行快速起飞加速和旋翼飞行可垂直举升并悬停的的优点，可以利用很小的能量进行长距离的飞行，是目前被认为最为有效和灵活的一种飞行方式。对气动特性的研究在扑翼飞行器设计研究过程中起着关键性作用，扑翼飞行的气动机理相比于传统的飞行方式要复杂的多。因此，有必要寻找一种合适的数值模拟方法来精确地对扑翼飞行器气动性能进行仿真分析，从而能够实现快速精准的对扑翼结构进行优化设计，Ansys软件中Fluent模块在流体力学分析中包含丰富先进的湍流模型，适用范围广，稳定性好，精度高，对扑翼飞行器的气动性能仿真分析能够达到比较好的效果。
发明内容
本发明的主要目的是针对目前扑翼飞行器研制过程中存在的气动升力不足、飞行效率低等问题，提出一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法，能够为解决上述问题提供有益的理论指导。
本发明提出一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法，具体步骤包括：
步骤1：建立飞行器机翼三维模型，结合空气动力学理论和相关经验公式确定流场计算域；
步骤2：将机翼和计算域三维模型导入Ansys软件中，对其进行网格划分和流体分析；
步骤3：根据仿真结果进行后处理，对飞行器气动性能进行分析。
进一步的，步骤1所述机翼三维模型和流场计算域的创建通过Solidworks软件完成，具体步骤为：
步骤1.1：根据所要设计的机翼样式，在软件中通过零件绘制功能通过一系列命令完成机翼三维模型的创建；
步骤1.2：以空气动力学理论为基础，创建长方体实体模型作为流场计算域，相关参数根据相关经验公式来确定；
步骤1.3：将机翼模型置于计算域模型中与其进行装配，调整好初始位置及初始角度；
步骤1.4：将装配好的模型导出为igs或step格式进行保存。
进一步的，步骤2所述网格划分通过Ansys软件中ICEM CFD模块来完成，具体步骤为：
步骤2.1：将上述导出的igs或step格式文件导入ICEM CFD中，根据气体流动情况创建INLET、OUTLET、WALL、WING_LEFT、WING_RIGHT五个Part，并创建FLUID流体计算域，删除不相关的点、线、面；
步骤2.2：根据机翼形状和尺寸参数给定网格单元，随后进行拓扑，检查是否合适；
步骤2.3：根据机翼模型特征调整面网格和体网格相关参数和划分类型，定义每一个Part的尺寸，然后生成面网格和体网格；
步骤2.4：根据来流速度和特征尺寸估计边界尺寸，可以通过pointwise进行计算，然后生成边界层；
步骤2.5：输出网格划分文件。
进一步的，步骤2所述流体分析通过Ansys软件中Fluent模块来完成，具体步骤为：
步骤3.1：将上述输出的网格划分文件导入到Fluent中，点击“check”对网格质量进行检查。确保没有负网格；
步骤3.2：点击“Models”-“Viscous”，选择“SST k-omega”作为湍流模型；
步骤3.3：点击“Boundary Conditions”，编辑边界条件，入口选择速度入口，出口选择压力出口，并且根据情况给定来流速度，根据相关经验公式可以估计出湍流强度和湍流尺度；
步骤3.4：点击“Initiallization”初始化，然后给定一个合适的迭代次数，进行稳态计算；
步骤3.5：根据扑翼飞行器扑动结构工作过程，对机翼运动情况进行分析，总结出三个方向的运动方程，运动规律如下：
Figure BDA0003361317220000021
β(t)＝β1cos(4πft+δ) (2)
θ(t)＝θ1cos(2πft) (3)
其中，α0为平均俯仰角，α1为俯仰幅度，
Figure BDA0003361317220000022
为俯仰相位角，β1为划动幅值，δ为划动相位角，θ1为扑动幅值角，在计算中取
Figure BDA0003361317220000023
此时飞行器具有最大的推进效率。
步骤3.6：根据机翼运动情况，结合运动方程，编写机翼运动的UDF函数，描述机翼在三个方向上的运动角度随时间的变化情况；
步骤3.7：在菜单栏点击“User Defined”，将UDF函数导入Fluent中，采用编译的方式进行加载；
步骤3.7：在菜单栏点击“User Defined”，将UDF函数导入Fluent中，采用编译的方式进行加载；
步骤3.8：选择“Dynamic Mesh”激活动网格选项，选择“Smoothing”和“Remeshing”方式，并对最大、最小网格重构尺寸尺度进行调整；
步骤3.9：创建运动区域，在三维建模软件中查看机翼运动时所绕的固定点的坐标，作为模拟运动的中心位置；
步骤3.10：在“Monitors”下添加需要监测的参数；
步骤3.11：在“Setting Up Physics”中将Time类型改为“Transient”，调整为非稳态计算；
步骤3.12：在“Run Calculation”中给定时间步长和步数，进行非稳态计算。
进一步的，步骤3所述对仿真结果后处理的具体步骤为：
步骤4.1：在“Animations”中可以查看所监测的各个参数随时间的动态变化情况；
步骤4.2：根据学科综合知识对所得数据进行分析。
本发明的有益效果在于：
1.在进行非稳态计算之前做了稳态计算，使得非稳态计算的初始值更加准确，最终得到更为准确的结果；
2.本发明所述方法能够准确模拟机翼“扑动-划动-扭转”协同运动过程，运算速度快、能够更加精确的反映实际气动性能，接近实际情况；
3.在计算过程中可以通过改变UDF函数中的参数来对机翼运动过程进行调整，将不同结果进行对比，从而能够实现更加快速准确的对扑动结构进行优化。
附图说明
图1为本发明所述方法执行步骤图。
图2为稳态分析参数设置图。
图3为非稳态分析中激活动网格选项参数设置图。
图4为某一运动时刻机翼上下表面空气压力云图。
图5为某一运动时刻机翼上下表面空气流速云图。
图6为机翼运动一个周期升力系数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方式作进一步说明。
本发明提出一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法，包括三维建模、网格划分、稳态分析、非稳态分析、后处理，具体步骤如图1所示，包括：
步骤1：建立飞行器机翼三维模型，结合空气动力学理论和相关经验公式确定流场计算域；
步骤2：将机翼和计算域三维模型导入Ansys软件中，对其进行网格划分和流体分析；
步骤3：根据仿真结果进行后处理，对飞行器气动性能进行分析。
进一步的，步骤1所述机翼三维模型和流场计算域的创建通过Solidworks软件完成，具体步骤为：
步骤1.1：根据所要设计的机翼样式，在软件中通过零件绘制功能通过一系列命令完成机翼三维模型的创建；
步骤1.2：以空气动力学理论为基础，创建长方体实体模型作为流场计算域，相关参数根据相关经验公式来确定；
步骤1.3：将机翼模型置于计算域模型中与其进行装配，调整好初始位置及初始角度；
步骤1.4：将装配好的模型导出为igs或step格式进行保存。
进一步的，步骤2所述网格划分通过Ansys软件中ICEM CFD模块来完成，具体步骤为：
步骤2.1：将上述导出的igs或step格式文件导入ICEM CFD中，根据气体流动情况创建INLET、OUTLET、WALL、WING_LEFT、WING_RIGHT五个Part，并创建FLUID流体计算域，删除不相关的点、线、面；
步骤2.2：根据机翼形状和尺寸参数给定网格单元，随后进行拓扑，检查是否合适；
步骤2.3：根据机翼模型特征调整面网格和体网格相关参数和划分类型，定义每一个Part的尺寸，然后生成面网格和体网格；
步骤2.4：根据来流速度和特征尺寸估计边界尺寸，可以通过pointwise进行计算，然后生成边界层；
步骤2.5：输出网格划分文件。
进一步的，步骤2所述流体分析通过Ansys软件中Fluent模块来完成，具体步骤如图2所示：
步骤3.1：将上述输出的网格划分文件导入到Fluent中，点击“check”对网格质量进行检查，确保没有负网格；
步骤3.2：点击“Models”-“Viscous”，选择“SST k-omega”作为湍流模型；
步骤3.3：点击“Boundary Conditions”，编辑边界条件，入口选择速度入口，出口选择压力出口，并且根据情况给定来流速度，根据相关经验公式可以估计出湍流强度和湍流尺度；
步骤3.4：点击“Initiallization”初始化，然后给定一个合适的迭代次数，进行稳态计算；
步骤3.5：根据扑翼飞行器扑动结构工作过程，对机翼运动情况进行分析，总结出三个方向的运动方程，运动规律如下：
Figure BDA0003361317220000051
β(t)＝β1cos(4πft+δ) (2)
θ(t)＝θ1cos(2πft) (3)
其中，α0为平均俯仰角，α1为俯仰幅度，
Figure BDA0003361317220000052
为俯仰相位角，β1为划动幅值，δ为划动相位角，θ1为扑动幅值角，在计算中取
Figure BDA0003361317220000053
此时飞行器具有最大的推进效率。
步骤3.6：根据机翼运动情况，结合运动方程，编写机翼运动的UDF函数，描述机翼在三个方向上的运动角度随时间的变化情况；
步骤3.7：在菜单栏点击“User Defined”，将UDF函数导入Fluent中，采用编译的方式进行加载；
步骤3.7：在菜单栏点击“User Defined”，将UDF函数导入Fluent中，采用编译的方式进行加载；
步骤3.8：选择“Dynamic Mesh”激活动网格选项，如图3所示，选择“Smoothing”和“Remeshing”方式，并对最大、最小网格重构尺寸尺度进行调整；
步骤3.9：创建运动区域，在三维建模软件中查看机翼运动时所绕的固定点的坐标，作为模拟运动的中心位置；
步骤3.10：在“Monitors”下添加需要监测的参数，可以根据；
步骤3.11：在“Setting Up Physics”中将Time类型改为“Transient”，调整为非稳态计算；
步骤3.12：在“Run Calculation”中给定时间步长和步数，进行非稳态计算。
进一步的，步骤3所述对仿真结果后处理的具体步骤为：
步骤4.1：在“Animations”中可以查看所监测的各个参数随时间的动态变化情况；
步骤4.2：结合图4—6，根据学科综合知识对所得数据进行分析。

Claims (4)

1.一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：建立飞行器机翼三维模型，结合空气动力学理论和相关经验公式确定流场计算域；
步骤2：将机翼和计算域三维模型导入Ansys软件中，对其进行网格划分和流体分析；
步骤3：根据仿真结果进行后处理，对飞行器气动性能进行分析。
2.如权利要求1所述的一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法，其特征在于步骤1所述机翼和计算域的三维建模包括以下步骤：
步骤2.1：利用solidworks软件根据需求对机翼三维模型进行创建，同时根据计算参数绘制计算域实体模型；
步骤2.2：将两模型进行装配，并调整好机翼在计算域中的初始位置和相关角度；
步骤2.3：将装配后的三维模型导出为igs或者step格式。
3.如权利要求1所述的一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法，其特征在于步骤2所述的网格划分包括以下步骤：
步骤3.1：将导出的三维模型导入到Ansys软件的ICEM CFD模块中，创建INLET、OUTLET、WALL、WING_LEFT、WING_RIGHT五个Part，创建FLUID作为流体计算域；
步骤3.2：对创建的Part进行拓扑优化，然后进行面网格和体网格的划分，生成边界层；
步骤3.3：将网格保存并输出。
4.如权利要求1所述的一种“扑动-划动-扭转”扑翼飞行器气动仿真分析方法，其特征在于步骤2所述的流体分析包括以下步骤：
步骤4.1：将上述保存的网格模型导入Ansys软件Fluent模块中，对网格质量进行检查，确保没有负网格；
步骤4.2：选择湍流模型为SST k-omega，入口设置为速度入口，出口设置为压力出口，其中来流速度根据实际情况进行设置，湍流强度可以根据相关经验公式进行估计，计算方法选择Second Order Upwind；
步骤4.3：进行初始化，然后进行稳态计算；
步骤4.4：根据扑翼飞行器扑动结构确定机翼动作，编写机翼运动方程，进而编译出机翼运动的UDF函数；
步骤4.5：在稳态计算结果收敛之后，不改变上述设置的参数，导入UDF函数，点击“Dynamic Mesh”激活动网格选项，选择“Smoothing”和“Remeshing”，并对相关参数进行设置；
步骤4.6：确定两个机翼在做三自由度运动时定点的坐标；
步骤4.7：添加需要监测的参数；
步骤4.8：进行初始化，然后进行非稳态计算；
步骤4.9：点击“Animations”查看监测结果，进行数据后处理。
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