蜻蜓翅微观结构的高效气动效应研究

蜻蜓飞行具有高效、机动的特点，是仿生飞行器设计的重要仿生对象。现有研究中大多忽略了蜻蜓翅的柔性及翅上的微观结构，使用刚性平板翅的简化翅模型，这在很大程度上不能真实地反映蜻蜓的飞行情况。事实上，通过仔细地观测发现，蜻蜓翅的微观结构是非常复杂和十分奥妙的，除了现有观测到的褶皱结构外，本课题组首次发现，蜻蜓翅上还存在前缘凹坑、翅刺和后缘翅片，这些微观结构对蜻蜓的灵活机动飞行起着非常高效的作用。本项目将以蜻蜓翅上这些微观结构的高效气动效应为研究内容，采用数值模拟和实验研究相结合的方法，系统地研究蜻蜓翅的微观结构在其滑翔飞行和拍翅飞行时的高效气动效应，揭示蜻蜓翅上微观结构与其优异气动特性在形态功能学上的内在联系，从而更加真实地阐明蜻蜓高效飞行的力学原理，同时也为拍翅类微型飞行器的翅面仿生设计提供科学的理论指导。

本课题对原计划的研究内容及拓展的研究内容进行了深入的研究，取得了重要的学术成果，主要进展有7个方面：（1）在蜻蜓前、后翅三维几何形状测量方面，获得了黄蜻蜓前、后翅的三维几何形状的测量原始数据，对研究蜻蜓翅结构动力学及空气动力学具有十分重要的价值；（2）在蜻蜓翅拍动翼型气动特性数值研究方面，采用高精度的拍动翅流场数值算法，深入研究了雷诺数、拍动幅值以及平动与转动之间的相位差等参数对翼型在倾斜拍动悬停飞行时气动特性的影响，得出了非常有益的结论；（3）在蜻蜓褶皱翅剖面悬停飞行气动特性数值研究方面，根据已获取的蜻蜓前后翅几何测量数据，选取前翅的剖面翼型与平板翼型，计算了倾斜拍动悬停飞行时的气动性能，分析了褶皱结构引起的气动效应；（4）为了探索柔性翅的运动及变形，进行了薄壳结构非线性动力学有限元分析的研究，将共旋列式理论的大变形、有限转动求解能力从静力学分析完整地拓展至动力学分析；（5）为了求解柔性翅高频拍动时所产生的三维大变形，建立了基础作大范围运动的柔性壳结构的大位移、有限转动非线性动力学响应的共旋有限元分析方法；（6）为了探索类似于蜻蜓翅褶皱翼型结构的非定常气动载荷，开展了可变形翼型气动载荷的研究，建立了可变形翼型气动载荷计算的有限状态法；（7）研制了蜻蜓翅1:10放大模型实验装置，用于测量蜻蜓前后翅产生的升力、推力及力矩变化，并验证数值模拟结果，进行流动显示与测速，观察流动现象，分析流动机理。