昆虫拍动翅的变形和皱褶对其流动和气动力的影响

本项目基于已有的自由飞昆虫翅膀变形和褶皱的实测数据，用在非定常运动和变形的网格上数值求解N-S方程的方法，分析变形褶皱翅的流动。首先获得变形褶皱翅的流场、气动力等物理量随时间变化的关系。然后将翅膀变形和褶皱逐步简化：去掉褶皱只保留变形；去掉变形只保留褶皱；将变形和褶皱均去掉而成为刚性板；求解这些变形翅膀的流场和气动力。通过对上述结果进行对比分析，研究并回答两个问题：一是翅膀变形和褶皱对拍动翅的气动力的影响及其中的机制，变形和褶皱是否存在耦合及其中的机制；二是刚性板假设的近似程度如何，即可否用刚性板代替真实的（即有变形和褶皱的）拍动翅。

大部分昆虫的翅膀都存在褶皱，在拍动中都会产生随时间变化的变形。褶皱和变形对气动力的影响是否存在着耦合？如果有的话，这种耦合效果有多大？是一个很有价值的问题。我们通过在动态变形网格上数值求解NS方程的方法，研究了悬停飞行时食蚜蝇翅膀的变形和褶皱对其气动力的影响，研究中考虑了多种褶皱翅膀模型。通过对四种情况（包括：1、刚性无褶皱翅，2、变形无褶皱翅，3、刚性有褶皱翅，4、变形有褶皱翅。）数值模拟结果的对比分析，研究了翅膀的变形（包括：拱形变形和扭转变形）与翅膀的褶皱之间是否存在着耦合效应。我们发现，翅膀的变形和褶皱之间的耦合效应很小，变形和褶皱组合的效果相当于变形和褶皱单独效果的线性叠加。翅膀变形使升力增加9.7%，气动力矩（或气动能耗）减少5.2%，翅膀的褶皱使升力减少6.5%，气动力矩增加2.2%。变形和褶皱的组合使升力增加3%，气动力矩减少3%。也就是说，变形和褶皱的组合对气动力影响很小。因此，褶皱的主要功能在于增加结构强度，而非增强气动效果，在计算和测量悬停飞行昆虫翅膀气动力的时候，刚性平板翅膀模型能够很好地模拟变形有褶皱翅膀。