微型拍动旋翼前飞的尾迹演化机制及流动控制研究

The project aims at finding out the wake and flow control of micro flapping rotary wing by theoretical analysis, numerical simulation and experimental method. Through the studies of how passive pitching and rotate speed change under different forward speed and Inclination of the plane of rotation, we can come up with a clear relationship among the wake transient characteristics, the motion of the wing , and the aerodynamic forces on the wing considering the impact of flexibility ; We Reveal the physical mechanism by investigating the influence of different motion and flow parameters on periodic wake boundary when flying forward ; Then we study the wake characteristics of multi-wing to find out the interaction between wake and wing ; Finally by analyzing two different flow control methods on the flow we come to know whether it can improve aerodynamic characteristics and effectiveness, and can achieve effective flow control. Based on above results, on one hand, they makes us have a comprehensive understanding of the flow mechanism of micro flapping rotary wing, on the other hand has a certain significance on micro air vehicle design.

本项目拟采用理论分析、数值模拟和实验测量相结合的方法系统研究微型拍动旋翼前飞的尾迹演化机制及流动控制。通过研究不同前飞速度和旋转平面倾角下翼的被动俯仰运动和转速变化规律，明确尾迹瞬态变化特性与翼的运动及气动力之间的关系，并考虑柔性对这些关系的影响，解释其中的力学机理；通过研究前飞状态下不同运动参数和流动支配参数对尾迹周期性边界的影响揭示其中的物理原因；通过研究多翼布局下的尾迹特性，明确尾迹与翼之间的相互作用机理；通过研究两种不同的流动控制方法对流动的影响，明确其是否可提高气动特性和功效并实现对流动的有效控制。上述研究一方面使人们对微型拍动旋翼的流动机理有全面的认识，另一方面对人们设计该类布局微型飞行器有一定的指导意义。

微型拍动旋翼在低雷诺数下能够实现高升力高效产生，是发展微型飞行器极具潜力的布局形式之一。过去研究微型拍动旋翼空气动力学原理主要关注悬停状态，对前飞状态关注较少。本项目采用理论分析与数值模拟相结合的方法研究微型拍动旋翼前飞下的尾迹演化机制及流动控制，研究明确了前飞运动参数对翼转速、流场演变及气动特性之间的关系，明确了柔性对尾迹周期性的影响及机理，明确了多翼布局下的尾迹与翼之间的相互作用机理；提出了开孔等流动控制方法并系统研究了其对流动的影响机理。研究表明： 1）微型拍动旋翼前飞时气动力产生原理和流场结构演化规律与悬停类似，前飞时升力和推力的损失、旋转力矩的增加主要发生在后行阶段，后行阶段翼根下表面前缘涡增强和翼根回流是造成这一现象的主要机制；前进比、旋转平面倾角增加，一方面直接影响气动力产生，使平均升力减小，另一方面又使得翼稳定旋转速度增加，补偿平均升力；综合看真实拍动旋翼前飞时增加旋转平面倾角实现增加的前进比并不会引起升力的损失，拍动旋翼前飞时上述运动和气动力之间的复杂相互作用与旋翼显著不同。2）柔性翼产生的气动力及流动周期性成因与刚性翼相似，翼具有中等柔性除可以提高翼升力和气动效率外还可改善翼瞬时气动力周期性，这主要是因为柔性翼产生的后缘变形及被动俯仰运动抑制了振荡运动对翼周围流场的作用，改变了前缘涡和后缘涡的形态与强度，使涡-涡以及涡-翼之间的相互作用减弱。3）多翼多平面和共平面两种布置时所存在的尾迹作用不利于拍动旋翼获得增升效果，但有助于旋转速度的提升。4）在拍动旋翼中引入开孔流动控制可提升翼前飞前行阶段的升力；拍动旋翼可以通过孔开放释放了上拍过程上下翼面间压力差，并在前缘诱导形成了二次涡使得上拍负升力降低。本项目研究为理解微型拍动旋翼在前飞过程中的流动力学原理和流动控制方法及机理提供了理论支撑，丰富了微型拍动旋翼的空气动力学原理体系，可为该类型飞行器的设计提供指导。