微型拍动旋翼流固耦合特性的实验研究与数值模拟

拍动旋翼可能成为微型飞行器布局设计方案之一。该布局利用拍动翼和旋翼气动特性的优点并结合翼的弹性动态特征来满足飞行器的气动设计要求，与现有布局相比，其具有结构简单、易实现等优势。本研究拟采用实验测量方法获得微型拍动旋翼在不同机构输出运动参数和翼结构布局设计参数下翼的运动模态、几何非线性变形量和气动力及力矩；明确设计参数与翼的运动模态、弹性动态特征及气动特性之间的作用关系，结合数值模拟方法并运用涡动力学理论揭示其中的物理机制；证明弹性动态特征对拍动翼气动特性所带来的益处是否也存在于拍动旋翼布局中；根据微型飞行器的气动设计要求，优化设计拍动旋翼的结构布局及运动模态，并采用实验手段加以验证；为微型拍动旋翼飞行器设计奠定基础。

拍动旋翼布局利用拍动翼和旋翼气动特性的优点并结合翼的弹性动态特征来满足飞行器的气动设计要求。本项目的目标是采用实验测量方法获得微型拍动旋翼在不同机构输出运动参数和翼结构布局设计参数下翼的运动模态、几何非线性变形量和气动力及力矩；明确设计参数与翼的运动模态、弹性动态特征及气动特性之间的作用关系；结合数值模拟方法并运用涡动力学理论揭示其中的物理机制，为微型拍动旋翼飞行器设计奠定基础。.本项目的重要研究内容和结果包括：.1）关于微型拍动旋翼运动和力的实验测量发现：在给定的拍动幅度下，不同的拍动频率和初始攻角所引起的翼的被动俯仰运动及其相差均有所变化，进而导致翼的旋转速度发生改变；翼的被动俯仰运动是由惯性力和气动力共同作用产生的，不同拍动频率下，其贡献也明显不同；通过对气动力的测量还发现升力随初始攻角的变化是先增大后减小的趋势，在10度攻角附近不同拍动频率下均可得到最大升力。.2）关于微型拍动旋翼流固耦合特性形成的物理机制研究发现：采用雷诺数与无量纲拍动幅度的乘积作为衡量气动力和流动周期性的物理量是适用的。随着雷诺数或者拍动幅度减小，粘性耗散作用或附加质量力的作用增强，导致涡对之间/涡-翼之间的非周期性作用减弱，进而提高了气动力和流动的周期性，反之亦然。在一个拍动周期内，气动力的变化主要由瞬态有效攻角决定，较大的被动俯仰运动更有利于提高气动特性。.3）关于双翼干扰对流固耦合特性的影响研究发现：低频拍动时，由于推力较小、转速较慢，故尾迹耗散作用下双翼之间的气动干扰作用较弱；高频拍动时，推力较低频时显著增加，导致转速增大，故双翼之间尾迹的相互作用效果较强，其在被动俯仰运动和升力系数上均有体现。.4）关于多种微型飞行器气动布局的对比研究发现：在无约束情况下，旋翼在四种布局中具有最高的气动效率，水平拍动翼和扑旋翼次之，垂直拍动翼最差。当仅需要较小的垂直力时，旋翼方案是获得最高气动效率的；当对垂直力的需求略高时，扑旋翼和水平拍动翼均可以满足要求；当对垂直力有更大要求时，扑旋翼是能够同时满足垂直力和功率效率的唯一方案，此时，其效率与旋翼产生最大垂直力时的功率效率相当。.5）关于微型拍动旋翼开孔增升机理研究发现：合适的开孔参数设计可使升力系数提高45%。这主要是因为在开孔翼运动的过程中产生了二次涡，增强了附着流动，其起到了类似缝翼的效果，有效的提高了升力。