蜻蜓捕食过程的运动学观测与空气动力学研究

The aerial predation of dragonfly reflects its superb maneuverability. It is very important to get the wing and body kinematics and study the aerodynamic mechanism in the process of predation.The project will use the method of experimental observation, numerical simulation and theoretical analysis to study the kinematics and aerodynamics of dragonflies in the process of predation. Firstly, the aerial predation process of dragonflies is experimetally measured using high-speed video techniques. Based on the stereo vision method, the kinematic parameters of the body and wings are reconstructed (including body posture, displacement, wing flapping frequency, flapping range, angle of attack, the phase lag between forewing and hindwing, etc.). Then, the aerodynamic force and flow structures of the flapping wings and body are calculated by solving the Navier-Stokes equations numerically using the measured data. The result would be analyzed using the vorticity moment theory. The goals of the proposed project are to explain how the wing motion and aerodynamic forces and moments are controlled to generate the fast maneuvers and to explore the underlying fluid mechanisms in the process of dragonfly's predation. The results not only provide new concepts and new principles for the development of micro air vehicles，but also provide the mechanics basis for biologists to study the physiology and evolution of insects.

蜻蜓空中捕食反映了其高超的机动能力，获取其空中捕食过程的运动学参数，研究其中的空气动力学机理非常重要。本项目将应用实验观测、数值模拟和理论分析相结合的方法研究蜻蜓在捕食过程中的运动学及空气动力学问题。首先，用高速摄像机拍摄蜻蜓的空中捕食过程，基于立体视觉的方法，测量身体和翅膀的运动学参数（包括身体姿态，位移，翅膀拍动频率、拍动幅度、攻角，前后翅的相位差等）和这些参数随时间的变化。然后，基于流体力学方程（N-S方程），结合运动学参数，数值计算出气动力及流动结构。根据流场，结合涡动力学理论解释蜻蜓捕食过程中气动力和力矩产生的原因；揭示蜻蜓捕食过程中翅翅气动干扰机制；探索蜻蜓捕食过程中产生大的气动力和力矩的流体力学机理。研究结果将为研制微型飞行器提供新概念和新原理，同时为生物学家研究昆虫生理、进化问题提供力学基础。

未来仿生扑翼微型飞行器在军事和民事上均具有重大应用前景，但其中的空气动力学问题是制约其快速发展的亟待解决的问题，而借鉴模仿自然界的昆虫飞行是解决扑翼飞行器空气动力学关键问题的最有前景的解决途径之一。因此，本项目主要聚焦在探索昆虫飞行的空气动力学奥秘。由于在昆虫捕食过程中会比正常飞行状态下产生更高的气动力，本项目的主要研究内容则是围绕昆虫的捕食行为开展，目的是探索昆虫捕食过程中或者被捕食昆虫在躲避捕食的过程中产生高升力的空气动力学原理。本项目观测了捕食过程中，蜻蜓和果蝇的飞行行为。在观测过程中发现，在实验室条件下，即使有比较多的果蝇，也较难诱发蜻蜓的捕食行为。但是由于蜻蜓的存在，果蝇飞行的区域主要聚集在飞行箱顶壁处。由此提出了新的问题，即顶壁的存在如何影响拍动翅的气动力。为了回答这个问题，利用数值模拟的方法，首先计算了悬停条件下在不同顶壁间隙下拍动翅的气动力表现。发现，顶壁的存在能够显著提高拍动翅的升力；并且随着翅膀和顶壁间距离的增加，顶壁的气动作用迅速减弱。由此推断这可能是上述实验中果蝇贴近顶壁飞行的原因。进一步，研究了前飞条件下顶壁对昆虫拍动翅的气动力影响，发现，顶壁仍能够增加拍动翅的气动力，但是随着前飞速度的增加，顶壁效应逐渐减弱。利用流动信息，解释了顶壁增加昆虫拍动翅升力的原因：悬停时，顶壁增加了来流的速度和攻角；前飞时，顶壁只增加了来流的速度，但降低了来流攻角，这就解释了前飞时顶壁效应降低的原因。昆虫贴近顶壁的飞行行为是在观测蜻蜓和果蝇捕食过程中发现并且进一步研究的，这一现象和背后的原因属于首次发现和揭示。本项目提供了昆虫贴近顶壁时，顶壁气动作用随间隙和前飞速度变化的丰富数据。这些成果不仅揭示了捕食过程中昆虫飞行行为的流体力学原因，还能够指导扑翼微型飞行器的节能高效设计。