题目：褶皱对昆虫翅拍动气动力的影响

本文用数值方法求解Navier-Stokes 方程，研究了褶皱对二维翅膀作平动运动和三维模型翅作拍动运动的气动力的影响。对于二维计算，模型蜻蜓翅的雷诺数Re=1000，攻角范围介于0°到40°之间。大体上看平板翅的气动性能略优于褶皱翅。比如，在升力系数为1.0和2.0处，平板翅的阻力系数比褶皱翅的分别小9.5%和10.1%。褶皱翅在升力系数为0.13和2.3的升阻比介于1.1~2.4，比一般的滑翔机的升阻比小很多(人造的滑翔机升阻比在10.0以上)，在如此小的升阻比下昆虫下降很快，要想实现滑翔飞行，必须能够捕捉到上升气流。因此昆虫只能作短暂的滑翔。将总阻力分解为压差阻力和摩擦阻力进行比较。对于平板翅，小攻角下摩擦阻力占主导地位，大攻角下压差阻力占主导地位。对于褶皱翅，在计算攻角范围内，压差阻力始终占主导地位。由于褶皱翅的压差阻力系数比平板的大很多，最终使得褶皱翅的总阻力比平板的大。对于两种模型翅，当攻角大于10°时，均发生流动分离，使得气动力随时间周期性变化。平板模型的气动力系数随攻角增加很快，如在攻角 时的升力系数振幅和阻力系数振幅分别是 的7.5倍和10.0倍；相比之下，褶皱模型的气动力随攻角波动要小的多，褶皱翅在攻角 时的升力系数振幅和阻力系数振幅分别是 的1.9倍和2.7倍，有利于减少调整飞行姿态所产生的额外热量，也就有利于滑翔时进行体温调节；随着攻角进一步增大(攻角大于15°)，两种模型的气动力振幅差别逐渐减小，在攻角为40°时两种模型的升力系数和阻力系数振幅差别均小于5%。关于褶皱对翅膀拍动运动气动力的影响，计算的模型包括一种平板翅模型和三种褶皱翅模型。模型翅的展弦比均取为3.0，中间时刻拍动攻角 ，雷诺数Re=200、1800、3400。计算结果表明，褶皱对气动力的影响很小。一个拍动周期内四种模型翅的气动力系数随时间变化曲线一致。三种褶皱翅模型的平均升力系数和平均阻力系数与平板翅的的差别分别小于5%和2%。流场分析表明，大多数时刻流动发生分离，除靠近物面附近的流场外，四种模型的流场结构极为相似，后缘脱落涡也很相似，这说明翅膀上的涡量也近似相等。根据气动力和涡量矩的关系，模型翅受到的气动力也应该近似相等。综合二维和三维的计算结果可知，褶皱并没有给翅膀带来气动力上的优势，但也没有明显的缺陷，其存在主要是增加翅膀的刚度 减轻重量。这也表明，在研究昆虫翅的拍动气动力时，可以用平板翅来模拟真实翅膀。