蚊子飞行的运动学观测及非定常高升力机理研究

Mosqitoes have very small stroke amplitude (about 40°), only 1/4 of that of past-studied insects (flies, bees, moths, etc.), and they must use different flapping kinematics and lift-production mechanism from the past-studied insects. In the proposed project, we measure the flapping kinematics of the wings of typical mosquitoes in free flight;, based on numerical solutions of Navier-Stokes equations and vorticity dynamics theory, study the aerodynamic mechanisms and flight power requirement. The study has potential applications in the development of micro-air-vehicles, and the result will also be very useful to biologists who study insects’ comparative biology, neuro-biology, behavior, evolution, etc.

申请人从他人及本人拍摄的照片中注意到: 蚊子翅膀的拍动幅度（约40°）远小于以往研究过的昆虫(蝇、蜂、蛾等) 的拍动幅度(只有它们的1/4)。因而，蚊子可能有新奇的拍动方式和高升力机制。本项目选择典型蚊子，对其的悬停和低速前飞进行运动学测量（包括身体运动和翅膀拍动运动）；基于已知的翅膀运动，数值求解N-S方程，获得拍动翅的流场、气动力和能耗；结合翅膀运动和流动结构，用涡动力学理论分析气动力机制和能耗规律。揭示蚊子的新奇拍动方式和新高升力机制，可为生物学家研究昆虫生理、行为、进化等问题提供力学依据；更重要的是，可为工程师发展微/纳型飞行器提供新概念和新原理，还可能为改善通常的飞行器及其它流动装置提供新思想。

本项目以埃及伊文为研究对象，研究了蚊子在悬停时的运动学规律、气动力机制、能耗以及稳定性的问题。首先用测量了蚊子悬停时的运动学和形态学数据。蚊子的拍动可以分为三个阶段：第一个阶段，拍动开始阶段，翅膀快速向前和向下加速，并快速下俯；第二个阶段，拍动中部，翅膀以较大的速度近似等速运动，同时快速上仰；第三阶段，拍动结束阶段，翅膀快速减速，同时上仰到竖直位置。然后使用数值方法求解不可压 Navier-Stokes方程，得到了蚊子悬停飞行的气动力和详细的流场，之后采用涡动力学理论和附加质量理论来对流场进行分析，揭示了蚊子悬停飞行的非定常产气动力机制：蚊子在下拍（或上拍）过程中，升力和阻力都有三个峰，前两个峰占主要作用。第一个峰主要是因为附加质量效应，由于蚊子拍动幅度小，加速度大，附加质量力比其他大幅度拍动昆虫大很多。第二个峰主要是由于“快速上仰机制”：翅膀在向前运动的同时快速上仰，在翅膀前缘和后缘附近产生方向相反的涡量，导致涡量矩随时间的快速变化，从而产生大的气动力。其他大幅度拍动昆虫第二个峰主要是“不失速机制”，气动力是由两个相反方向的涡的相对运动而产生的。接着研究了蚊子悬停的能耗规律。蚊子拍动频率虽然很高，但由于翅膀质量小，惯性功不大，能耗主要是气动功产生的。因惯性功不大，故肌肉是否有弹性储能作用并不重要。当假设蚊子用较大拍动幅度，较低频率拍动（以保持升力平衡重量）时，能耗会小一些；这表明蚊子用小幅度、高频拍动不是能耗最佳状况，可能是为了在重量需要大大增加时（如吸血后）方便增大拍动幅度以增大升力。最后研究了蚊子悬停时的稳定性。蚊子的稳定性模态结构和其他昆虫类似，横向和纵向都是不稳定的。三个纵向模态为：不稳定振荡模态、稳定快速衰减模态和稳定慢速衰减模态；三个横向模态为：不稳定发散模态、稳定振荡模态和稳定衰减模态。蚊子张开的腿对稳定性有好的影响：使不稳定模态的特征值减小了约 11%，使扰动发散的更慢。