蝙蝠翼的主动变形对其气动力影响的数值研究

There are more than 10 joints in a bat wing. The active deformation caused by the motion of joints is a distinct characteristic in bat flight. Understanding the effect of active deformation on the aerodynamic force is requested by both the design of Micro Air Vehicle and the exploration of biology world. The present proposal investigates the effect of active deformation in a bat wing on aerodynamic forces numerically. The effects of active deformation on the geometry parameters of a bat wing are: stretching-and-retracting of wingspan, the difference of AoA between the inner wing and outer wing, and the motion of propatagium. The present proposal controls the joints in the numerical bat wing model to construct reference models to reflect the different effects of active deformation, solves the NS equations to get the 3D unsteady flow, compares the aerodynamics forces in different cases to provide the rules between the active deformation and aerodynamic force, analyses the connection between the flow structures and aerodynamic force to interpret the fluid mechanism in the active deformation of bat wing. The present proposal investigates the effects of active deformation on aerodynamic force and flow structures in the bat flight, which echoes the previous investigation on the effect of passive deformation caused by the flexibility. It will be helpful in getting the complete understanding of aerodynamic force in bat flight.

蝙蝠翼含10余个关节。由关节运动控制的主动变形是蝙蝠翼重要的运动学特征。理解蝙蝠翼主动变形中的空气动力学机制既是微型飞行器仿生设计的需求，又是探索蝙蝠飞行的生物学规律的重要途径。本项目采用数值模拟的方法研究蝙蝠翼的主动变形对其气动力和流场结构的影响。主动变形对蝙蝠翼几何参数的影响主要体现在：翼展的伸缩运动、内外翼攻角的差异和前膜导翼的运动。本项目通过控制计算模型的关节运动，构建反映不同程度主动变形效果的参照模型；通过求解NS方程，得到三维非定常流场；通过对比不同运动方式下模型的气动力变化规律，揭示蝙蝠翼主动变形与其气动力变化间的规律；通过分析流场结构与气动力间的关系，阐明蝙蝠翼主动变形中的流动控制机理。与前人的工作相比，本项目着力研究蝙蝠翼的主动变形的影响。本项目与已有的柔性被动变形研究成果相互补充，可促进对蝙蝠翼气动力特征的全面认识。

蝙蝠具有独特的膜翼结构和优异的飞行性能，是仿生飞行器设计的重要参照对象。由关节运动控制的主动变形是蝙蝠翼的运动学特征。本项目采用数值模拟研究蝙蝠翼的主动变形对其气动力的影响。蝙蝠翼的主动变形引起翼展的周期性伸缩以及局部攻角或面积的剧烈改变。本项目通过构建和控制不同自由度的蝙蝠飞行计算模型研究了不同形式的主动变形对升阻力和流场结构的影响，结果表明：展向伸缩运动可显著提高蝙蝠扑翼飞行中的升力和效率。展向伸缩运动是指蝙蝠翼在下扑过程中向外伸张，在上挥过程中向内收缩。同时，展向伸缩运动改变了蝙蝠翼前缘涡和翼尖涡的强度和演化过程。为了定量地分析升力与流场结构间的关系，我们提出了一个显含涡力项的简化升力公式。该公式可看作Kutta-Joukowski定理在粘性非定常流动中的一个推广。流场结构与升力关系的定量分析表明：展向伸缩运动引起的涡动力学效应是提高升力的重要因素。在蝙蝠扑翼飞行的Strouhal数和攻角变化范围内，涡动力学效应对升力增量的贡献可高达50%（注：另外50%为升力面变化对应的面积效应）。翼展伸缩过程引起的涡动力学效应的主要表现为：（1）下扑过程中翼展伸张的拉伸作用使前缘涡增强，促使涡升力增加；（2）上挥过程中翼尖涡与下翼面的展向涡相互干扰，抑制负的涡升力的产生。翼展的伸缩运动为扑翼飞行的性能改善和流动控制提供了一种新的方式。此类展向运动在本项目的矩形平板扑翼和滑翔翼的算例中均得到了显著的升力增加和效率提高。本项目所研究的蝙蝠翼的主动变形增升方式和机制与已有的柔性被动变形研究成果相呼应，有利于促进仿蝙蝠飞行器的发展。