微型機(jī)械蜻蜓氣動特性

　　常見的微型飛行器多采用機(jī)械的固定翼或旋翼驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)飛行，然而自然界中的鳥類、昆蟲等都是采用撲翼飛行的方式，具有極高的機(jī)動靈活性且消耗很少能量。這種高效的飛行機(jī)理是生物幾千年來的進(jìn)化結(jié)果，至今仍未能完全解釋。因此，借鑒自然界中飛行生物普遍采用的撲翼式飛行方式，將是解決微型飛行器在低雷諾數(shù)下飛行難點(diǎn)的一種可行方案。

　　對于蜻蜒等昆蟲飛行時翅膀的運(yùn)動規(guī)律，在此之前已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。德國自動化公司Festo在近幾年連續(xù)推出了仿生鳥，仿生蜻蜒等微型撲翼飛行器，盡管實(shí)際尺寸和真實(shí)昆蟲仍然有一定差距，但已經(jīng)可以很好的模擬昆蟲的運(yùn)動規(guī)律。目前普遍的研究認(rèn)為，蜻蜒正常飛行時，翅膀具有三個自由度，首先翅膀近似在一個平面上撲動，該平面與水平面有一定的夾角，同時翅膀在撲動平面上撲動的過程中還伴隨著自身的異面轉(zhuǎn)動。在此之前的很多研究只是單純重點(diǎn)分析了蜻蜒飛行時翅膀的運(yùn)動規(guī)律，很少有研究將這種運(yùn)動與氣動特性結(jié)合起來。本文首先分析了蜻蜒實(shí)際運(yùn)動規(guī)律，推導(dǎo)出了能較好模擬蜻蜒翅膀運(yùn)動的運(yùn)動方程，其次結(jié)合微型機(jī)械蜻蜓的設(shè)計尺寸，通過計算流體力學(xué)軟件仿真模擬得到微型機(jī)械蜻蜒翅膀在一令撲動周期內(nèi)的升力變化情況，并分析得到相關(guān)結(jié)論。

　　本文采用ANSYS Fluent計算流體力學(xué)軟件對飛行過程中的機(jī)械蜻蜒進(jìn)行空氣動力學(xué)仿真，運(yùn)用動網(wǎng)格技術(shù)，編寫UDF控制翅翼的運(yùn)動，最后迭代求解，得到一個撲動周期內(nèi)空氣對蜻蜒翅膀的升力系數(shù)并計算升力值并分析總結(jié)升力值在一個撲動周期內(nèi)的變化規(guī)律。為了探討其他因素對蜻蜒飛行時升力的影響，本文還改變其他相關(guān)條件，進(jìn)行多次實(shí)驗進(jìn)行橫向比較，得到的部分結(jié)論將應(yīng)用到實(shí)際微型仿生撲翼飛行器的設(shè)計制作上。