环境激扰下昆虫扑翼飞行气动机理和稳定性研究

The physical phenomena of insect flapping flight includes unsteady aerodynamics, nonlinear solid structure mechanics of flexible wings, rigid body dynamics and control-feedback mechanism. Under complicated environmental perturbation (wind, turbulence and ground effect), the mechanics and dynamics of flapping flight differs obviously from the steady environment, including aerodynamic lift and drag oscillation, more complicated generating and shedding of leading edge, trailing edge and wing tip vortex, passive and active translation and rotation of insect body, and neurological control and feedback. This project proposes to numerically study the flapping flight under environmental perturbation, investigate the flapping motion and relevant symmetric/asymmetric flow patterns, research the influence of vortex generating and shedding on the lift/drag change, effect of active/passive deformation of flexible wing on flight stability, explore the internal control feedback system and reveal the mechanism how insects adjust the flapping motion to achieve ideal flight. Such research could theoretically support the development of micro-bionic flapping wing vehicle.

昆虫扑翼飞行中的物理现象涉及非定常的空气动力学、柔性翼非线性变形的结构力学、刚体运动学和控制反馈机制。在复杂环境激扰下（风、湍流、地面）扑翼飞行的力学现象和运动行为与稳定环境中明显不同，表现为气动升阻力的震荡波动，更复杂的前缘涡、后缘涡和翼尖涡产生脱落，身体被动/主动的移动和转动，神经系统控制反馈调节飞行姿态。本项目对扑翼飞行在环境激扰下的系统力学开展数值模拟研究，考察在风、湍流、地面影响下扑翼飞行出现的对称/不对称气动现象，研究流场中涡的产生、脱落、不对称性对升阻力的影响规律，柔性翼被动/主动变形特征以及对飞行稳定性的影响，探索昆虫内在的控制反馈机制，揭示生物如何通过调节扑翼运动模式到达理想飞行状态，为微小仿生扑翼飞行器提供理论支持。

研究昆虫扑翼飞行的力学机理，对微小型人工智能飞行器的研制有重要作用。昆虫飞行的环境复杂性较高，流动具有强烈非定常特性，需要对环境激扰下的气动特性进行研究分析。本项目基于浸入边界方法，建立了一套仿生扑翼飞行模拟系统，能对刚体和柔性扑翼进行模拟分析。针对复杂环境对昆虫扑翼飞行的影响，建立了有限障碍物-扑翼飞行模型：利用有限体积的圆柱体/球体模拟复杂环境中的障碍物，并将有限体积的障碍物分布于昆虫飞行的不同位置：底部、顶部和侧面。通过分析不同尺寸的障碍物，以及障碍物与昆虫间的距离，对飞行中的空气动力影响。此模型的建立，能更加充分的研究复杂环境下的昆虫扑翼飞行的气动机理，以及相应的稳定性问题。通过系统地分析关键参数对气动特性的影响，结合流场中前缘、后缘涡的发展变化，得到了升阻力、功率系数的变化规律以及相关力学机理。研究结果显示：不同尺度和位置的障碍物对扑翼飞行的影响差异非常大:当障碍物尺度接近扑翼尺度时，会和无限壁面产生相反作用；昆虫能通过调节扑动攻角来改变受力，从而到达稳定的效果；柔性扑翼会在特定的柔性度下产生最优的气动特性，可以调整扑动频率，产生最优飞行。综上所述，本项研究可以对仿生扑翼飞行器的研制提供数据和理论支持，通过选择扑动的关键参数，到达高效稳定飞行。