拍动旋翼微型飞行器概念及其流动研究

微型飞行器对未来国家安全和国民经济建设具有非常重要的作用。受昆虫翅拍动及旋翼产生高升力的研究结果的启发，提出一种可用于微型飞行器气动布局设计的新概念- - "拍动旋翼"，研究其可能出现的流动新现象。将翼拍动中的非定常柔性变形看作刚体绕固定轴的俯仰运动，即由动力装置驱动的一个自由度的柔性翼拍动运动（垂直振荡）等效为刚性翼的垂直振荡（plunge）和俯仰振荡（pitch）的耦合，使研究模型简化。采用计算流体力学方法并结合涡动力学理论研究微型"拍动旋翼"的气动力产生机理及多个翼的相互干扰；揭示并解释"拍动旋翼"的流动现象和气动力特性；获得"拍动旋翼"布局中翼的设计参数与其气动特性之间的关系，为采用此种布局设计方案的MAV提供参考，也为进一步实现该布局方案中的柔性翼结构反设计及气动和结构的耦合优化设计奠定研究基础。

微型飞行器对未来国家安全和国民经济建设具有非常重要的作用。本项目受昆虫翅拍动及旋翼产生高升力的研究结果的启发，提出一种可用于微型飞行器气动布局设计的新概念——“拍动旋翼”，并研究其流动现象和气动力产生机理。该“拍动旋翼”的运动由主动运动（垂直振荡）和被动运动（绕前缘的俯仰和绕振荡轴的旋转）组成。. 本项目采用计算流体力学方法并结合涡动力学理论首先研究了微型“拍动旋翼”的气动力产生机理及翼的尾迹干扰效应，进而揭示“拍动旋翼”的流动现象和气动特性，最后得到翼的设计参数与气动特性之间的关系。.研究结果表明：.1）拍动旋翼在拍动过程中，随着前缘涡的产生、发展与耗散，前缘上表面从吸力变成压力再变成吸力，而下表面从压力逐渐变成吸力再变成压力，这导致此过程中升力逐渐减小甚至为负值，之后再逐渐增大到较大的正值，从而产生平均升力；后缘反卡门涡街的产生使拍动旋翼获得了推力，但由于翼具有非零的初始攻角，使得射流方向并非水平向后，这将使合力方向为前上方，其一方面提供一定的推力，另一方面也提供部分升力。.2）对比拍动旋翼与纯拍动翼和纯旋翼的气动特性发现，当初始攻角小于某个临界值（约20度）的情况下，拍动旋翼所产生的升力要大于纯拍动翼和纯旋翼所产生升力之和，也就是说，拍动与旋转运动的耦合对增加升力产生了额外的贡献；当雷诺数小于5000时，只要选取合适的St数，拍动旋翼可以产生比传统旋翼更大的升力；另外，当雷诺数小于10000时，拍动幅角在5-10度之间，初始攻角在15-20度之间，俯仰幅度在10-15度之间可获得较为可观的气动效率。.3）拍动旋翼尾迹对阻力的影响要明显大于对升力的影响。转速每增大一倍，升力减少约30%，而阻力增大甚至可达几倍。这主要是由于前一次（或几次）拍动产生的反卡门涡街作用到后一次（或几次）拍动中，在前次的拍动中提供了较大的推力和较小的升力，则其对后次拍动的影响就是大幅增加阻力并减小一定的升力。. 上述结果亦可为采用此种布局设计的MAV提供参考。