微型拍动旋翼前飞流固耦合力学机理的数值研究

This project aims to study the fluid-structure interaction mechanism of a micro flapping rotary wing in forward flight using numerical simulation. Firstly, the relationship between wing designing parameters (including geometry, structural and material parameters) and wing deformation as well as aerodynamic performance will be built, based on which the optimal deformation beneficial for lift and thrust augment and power efficiency improvement will be revealed. Mechanism how such a deformation is generated will also be explained. Then, the mechanism of aerodynamic force generation and flow field evolution in a flapping rotary wing in forward flight will be addressed. Effect of forward flight and flexibility on this mechanism will be further studied and reasons why optimal deformation is beneficial for aerodynamic performance enhancement will be explained. Finally, the influence of wing forward flight and flapping kinematics on the fluid-structure interaction characteristic of a flapping rotary wing will be analyzed and the difference in forward flight aerodynamic performance among flapping rotary wing, rotary wing and flapping wing will be confirmed. This project can not only enhance our understanding on the aerodynamic performance of flapping rotary wing in different flight statuses, but also provide us some guidances in the design of micro air vehicles in flapping rotary wing configuration.

本项目拟采用数值方法系统研究微型拍动旋翼前飞的流固耦合力学机理。主要研究内容包括：（1）建立几何形状、结构形式及材料属性等翼设计参数对拍动旋翼的弹性变形特征、气动特性及能耗特性的影响规律，明确有利于拍动旋翼前飞产生高升力、高推力及高气动效率的弹性变形形式及其形成原理；（2）揭示柔性拍动旋翼前飞时气动力产生及流场结构演化机制，分析前飞运动及柔性引入带来的上述机制变化并予以解释，阐明较优弹性变形形式改善拍动旋翼气动性能的物理原因；（3）明确前飞及拍动运动参数对拍动旋翼流固耦合特性的影响规律及作用原理，解释拍动旋翼前飞气动特性与旋翼及拍动翼的差别。本项目研究一方面有助于增强对微型拍动旋翼在不同飞行状态下流固耦合力学机理的全面认识，另一方面也可为今后开展微型拍动旋翼飞行器设计提供理论依据和工程设计指导。

提高拍动翼的气动效率是发展拍动翼飞行器关注的重点。为此提出的复合式微型拍动旋翼布局，因能兼顾高气动效率及高升力优势实现高效飞行而值得深入研究与应用。过去微型拍动旋翼气动原理研究，较多关注悬停状态，对前飞状态关注少；较多研究刚性翼，柔性翼研究不深。研究采用数值模拟和实验测量结合的方法研究微型拍动旋翼前飞流固耦合力学机理，明确了前飞运动参数对翼气动特性、力矩及能耗特性的影响，揭示了拍动旋翼前飞特性与拍动翼和旋翼的差别；明确了拍动旋翼翼变形规律及成因，筛选出显著影响翼变形的设计参数，揭示了对翼气动特性影响显著的变形运动形式及作用原理。研究发现：（1）与悬停相比，扑旋翼前飞时推力和升力降低，但旋转力矩增强，这主要归因于翼后行阶段翼根回流及上拍后缘涡增强所引起的气动力变化。对于以恒定转速旋转的扑旋翼，较大的前进比和旋转平面的过分前倾均不利于推力产生，还会导致升力显著降低，但有利于提高旋转力矩及平衡转速进一步补偿推力和升力。真实飞行的扑旋翼在高推进比和大旋转平面倾角下，受益于翼被动转速提高，可同时获得高推力和高升力，这一特点不同于拍动翼和旋翼。（2）受非对称的气动力影响，拍动旋翼前飞时会产生非对称力矩，其中滚转力矩最强，偏航力矩其次，俯仰力矩相对较弱。快速前飞及旋转平面前倾既会增大滚转力矩和偏航力矩，同时也会额外带来抬头力矩，需予以关注。（3）拍动旋翼变形呈现出线性的展向扭转，且翼根攻角大于翼尖攻角，这不同于昆虫翅变形。翼弦向弯度变形幅度较小。翼柔性变形主要是惯性力支配的，密度比是决定翼梁变形的重要参数。（4）提高展向弯曲变形和展向扭转变形幅度均可增大翼升力和推力，但同时付出高能耗代价，前者主要是由拍动速度增加引起，后者主要由涡强度增强和气动力投影方向变化引起。本项目研究为理解微型拍动旋翼前飞时力学原理提供了理论支撑，也可为该类型飞行器的设计提供指导。