● 摘要
本文应用CFD方法详细地研究了昆虫尺寸的微型旋翼的气动特性。首先，对昆虫尺寸的拍动翼和旋转翼进行了对比研究。研究表明，在低雷诺数下，当翼攻角约小于45度时，翼在旋转过程中，由于不失速机制，前缘涡始终未脱落, 扑动翼和旋转翼在悬停飞行时气动效率近似。当攻角小于40度时，旋转翼可以产生比拍动翼略大的升力，而且旋转翼的气动效率更高。这表明可以用旋转翼取代拍动翼。然后，研究了低雷诺数下悬停飞行模式的单旋翼和共轴双旋翼。对于共轴双旋翼，当上下桨盘平面间距较小（约1倍平均弦长）且攻角较大时（约30~45度）时，上下桨叶间的干扰较明显，且对上下桨叶的升力产生皆有益。下桨叶升力增加量大于上桨叶升力增加量。在一个算例中，下桨叶平均升力比常规布局桨叶的平均升力大40%，上桨叶平均升力比常规布局桨叶的平均升力大26%。这个结果在所研究的桨尖雷诺数（Re=330，4950）内都存在。每一桨叶的升力增加都是由另一桨叶逆向旋转产生的螺旋流造成的。最后研究了前飞模式的常规布局旋翼和共轴双旋翼。与悬停时的共轴双旋翼相似，前飞中迎风桨叶同样处于螺旋流中。但是对于顺风桨叶来说，相对于漩涡脱落所产生的较强下洗流，螺旋流动很弱。前飞时共轴双旋翼布局对迎风桨叶的升力产生正面影响，对顺风桨叶的升力产生负面影响。在一个完整的旋转周期内，共轴布局桨叶平均升力与常规布局桨叶平均升力大致相当。以上结果表明，在设计如昆虫尺寸大小的微型飞行器时，除了拍动翼模式外，采用共轴双旋翼布局也是很好的选择，因为后者在机械上易于实现且具有较好的气动性能。