● 摘要
本文主要开发了昆虫运动参数的立体视觉测量方法，对自由悬停飞行蜂蝇的运动学参数和形态学参数进行了系统的测量，并使用CFD模拟的方法研究了蜂蝇悬停飞行的力学问题，涉及空气动力学（高升力的产生），力能学（能耗）及飞行动力学（动稳定性）。使用三台数字式高速摄像机从不同方向同时拍摄悬停飞行中的蜂蝇，使用立体视觉的方法获取采样时刻昆虫翅和身体上特征点的空间坐标，在翅“平面假设”和常用的定义下（依照Ellington）测得到翅和身体的详尽的运动学参数。实验数据表明：蜂蝇悬停飞行时翅的拍动角变化规律近似余弦函数；攻角在上拍和下拍中部近似为常值，在上、下拍的过渡中快速变化；抬升角较小，其在上拍或下拍的初期和末期较拍动中部大些，从而使翅尖轨迹呈现浅的“U”字型（幅度约为10度）。蜂蝇翅的拍动与最近人们用同样的方法测得的果蝇翅的拍动存在着较为显著的不同，这一差别可能导致二者气动特性的差异。用数值求解N-S方程的方法研究蜂蝇悬停飞行的气动性能，基于所测得的蜂蝇翅的运动学参数和形态学参数的CFD计算结果近似满足平衡飞行条件，特别是力矩满足绕质心为零的条件，验证了本文的CFD方法。对气动力的进一步详细分析表明：支持重量的垂直力主要是用升力原理产生的，而不是像果蝇那样，垂直力是用阻力原理和升力原理（且大部分是用阻力原理）产生的。蜂蝇悬停飞行时，产生高升力的主要机制是不失速机制，其贡献了约60%的升力，快速上仰机制与快速加速机制也对高升力的产生起到了一定作用。蜂蝇翅的惯性力矩的大小比气动力矩大得多，故每一拍动周期都存在较大的负功。从而，肌肉的弹性储能作用最大可降低能耗约40%（而尺寸较小的果蝇恰恰相反，翅膀的气动力矩的大小大于惯性力矩，故肌肉的弹性储能作用作用很小）。翅尖轨迹偏离平均拍动平面时，对气动力和力矩的时间过程有一定影响，但对平均气动力、能耗及飞行的动稳定性都只有很小的影响。