● 摘要
飞行和水生动物的最佳运动方式和最优运动效能一直是飞行力学的主要研究课题。由于飞行动物主要靠振翅、水生动物主要靠摆动身体获得推力,因此,人们把鸟翅和鱼身简化为振动翼模型,这种振动翼的振动与周围流场耦合产生了动物的自推进运动。本文的目标就是研究振动机翼的推进效能和流场结构的关系。由于理论研究和实验方法的局限性,数值模拟方法成为研究振动机翼推进效能和流场结构的有效手段。数值模拟振动翼的流场结构困难在于难以处理复杂动边界。由于浸入边界方法能在保证一定精度条件下,较方便地处理复杂动边界,因此,本文采用浸入边界方法中的直接力法和体积分数法模拟振动翼的振动。本文应用浸入边界方法中的体积分数法模拟了在流场中的俯仰振动机翼,得到了推力对振幅、频率依赖的分叉图及与之相关的流场结构图,其结果与前人的实验一致。数值结果表明:在一定的雷诺数下,随着振幅和振动频率的增加,振动机翼后缘尾迹中卡门涡街首先转变为近似平直的反卡门涡街,然后由近似平直的反卡门涡街转变倾斜的反卡门涡街,且反卡门涡街强度逐渐增大;时间平均速度场中所观察到的射流从阻力形式的内凹变成推力形式的外凸,并由平直变为倾斜。同时机翼所受到的力也从阻力变为推力,并逐渐增大。上述过程说明了振动翼的推进效能和流场结构的内在关系。本文应用浸入边界方法中的直接力法研究了柔性推进及其流场结构特征。柔性机翼的摆动推进方式可以用行进波来表示。改变行进波的运动方式可以增加推力、减小阻力、提高推进效率,同时行进波的运动方式也决定了摆动机翼后的涡街结构。影响以行进波方式摆动机翼的推进效能的主要因素是雷诺数及行进波的参数:波长、摆幅和相速度。雷诺数的增加使得机翼克服粘性力所做的功减少,因而提高了推进效能;行进波的波长决定了水翼的柔性,相速度决定了水翼摆动速度相对于来流速度的大小,随着行进波的柔性和相速度的增大,其推力系数和功率系数都增大,但只有适当的柔性和相速度才能够提高水翼的推进效率。而摆幅是对推进效能影响最大,随着摆幅的增大,其平均推力系数和平均功率系数剧烈地增大。从水翼尾迹的流场结构来看,柔性和相速度的增大均能加强其尾迹中反卡门涡街的强度,使推力增大;而随着摆幅的增大,不仅使机翼后缘脱落涡的强度增大很快,也使脱落涡的下泄速度加大,进一步提高了推力。本文应用浸入边界方法中的直接力法研究了振动双翼比单翼推进效率高的机理,比较了具有同样参数对称振动双翼和单翼振动,双翼对称振动具有较高的推进效率。机翼的振动参数可以用约化频率和振幅来描述。当约化频率一定时,随着振动幅度的增大,其推力系数和功率系数增大,由振动所诱导的反卡门涡街也从近似平直变得倾斜;由于两个机翼尾迹之间的相互干涉,双翼对称振动时推力系数、功率系数和推进效率均大于单翼振动。当最大振动速度一定时,随着约化频率的增加,由振动所诱导的反卡门涡街也从近似平直变得倾斜;功率系数也单调增大,单翼和双翼的推力系数和推进效率则在一定的约化频率下达到最大。双翼对称振动时,由于双翼对流场的作用,使两机翼尾迹中的反卡门涡街相背倾斜,涡街强度也同时增大,因而在同样的参数下双翼振动比单翼振动时产生更大的推力,提高了推进的效率。本文将飞行和水生动物的推进方式简化为振动翼的推进方式,用浸入边界方法模拟了这种振动推进形式及其周围流场的变化,发现了机翼振动参数与反卡门涡街之间的关系,得到了柔性推进参数与推力之间的关系,并解释了双翼推进比单翼推进效率高的机理,为微型飞行器和微机械的研制提供了一定的理论依据。
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