昆虫翅非定常变形的精细测量及其气动效应的研究

本项目用实物观测，数值模拟和理论分析相结合的方法，研究昆虫翅非定常变形及其对拍动翅的气动力、力矩和能耗的影响。先采用基于双目立体视觉与特征点匹配的三维重构方法来测量拍动翅的空间、时间变形过程；然后将测量得到的翅膀变形数据作为边界条件，数值求解流体力学方程（N-S方程），获得流场、气动力、力矩、能耗等物理量随时间变化的关系。拟达到的目标是：定量测量出蜂蝇自由悬停飞行时翅的非定常变形的空间、时间变化；了解变形对拍动翅的气动力、力矩和能耗的影响如何，产生这些影响的力学机制；回答以往基于刚性板假设的研究结果的适用性如何的问题。

实验观测结果显示昆虫翅在飞行过程中是存在着程度不同的变形，以往的研究往往将其简化为刚性平板加以处理。我们对这一问题进行了广泛深入的研究。首先采用小型风洞、高速摄像机组等实验设备拍摄了昆虫自由飞行的过程；而后基于双目立体视觉与特征点匹配的三维重构方法来测量扑动翅的空间、时间变形过程，获得了典型实验昆虫（蜂蝇）自由飞行时其扑动翅的变形详情，包括弯曲、扭转和拱形变形；然后将测量得到的翅膀变形数据作为边界条件，数值求解流体力学方程（N-S方程），获得流场、气动力、力矩、能耗等物理量随时间变化的关系，结果显示变形翅对气动力、力矩、能耗的影响均小于10%。对比刚性假设，变形翅在气动力、力矩和能耗等方面无显著差异。因此出于简化的目的，在后续的研究中，可以将自由飞行昆虫的翅视作刚性，以往基于刚性板假设的研究结果的依旧适用。