柔性自适应扑翼获能机理研究

People often will gain inspiration from nature. The bionic flapping foil can be used as propulsion or power generation tool. Compared with the traditional wind or hydraulic rotating turbine, the flapping foil as energy harvester has the characteristics of environment friendly and adaptable, robust structure and easy processing, so it can be used as an alternative way of energy conversion. In order to improve the energy conversion efficiency of flapping foil, an adaptive deformation flapping foil was put forward by the applicant, and it’s feasibility of this idea has been proved. . To explore the energy harvesting mechanism of the adaptive deformation flapping foil, the applicant intends to construct an effective means suitable for the flow field analysis of the deformation flapping foil; In the environmental wind tunnel, the experiments of performance and flow field for the deformation flapping foil will be carried out; Combined with the analysis of numerical simulation and experimental measurement data, the structure of flow field near the foil surface, the vortex generation and evolution, and its interaction with the foil will be grasped, then the energy harvesting mechanism of the deformation flapping foil will be revealed. With the combination methods of parameters optimization, the parameters relationship between the geometrical deformation, movement mode and the energy conversion efficiency will be established, thus the power generation effect and the application scope for the adaptive deformation flapping foil will be confirmed. These will provide theoretical and technical supports for the design of highly efficient and stable flapping foil equipment.

人类经常会从自然界中获得设计灵感。仿生扑翼既可用于推进，也可用于从流场中获取能量。与传统风力或水力旋转透平相比，扑翼获能装置具有环境友好、环境适应性强、结构鲁棒和易于加工等特点，其可作为一种可供选择的能量转换方式。为了提高扑翼获能的能量转换效率，申请人提出了一种自适应变形扑翼获能的新构想，并已证明了此构想的可行性。. 为了探明自适应变形扑翼获能的内在机理，申请人拟先构建适合变形扑翼获能流场分析的高精度数值计算方法；然后在环境风洞中，开展变形扑翼获能的性能和流场实验；再结合数值模拟和实验测量数据，通过对变形扑翼表面附近流场涡结构的生成、演化以及与扑翼相互作用机制的详细分析，揭示自适应变形扑翼获能的内在机理；最后采用组合参数优化的方法，建立几何变形、运动模式与能量转换效率之间的参数关系，明确自适应变形扑翼的获能效果和适用范围, 从而为设计高效稳定的扑翼获能设备提供理论和技术支撑。

项目的背景：. 扑翼运动既可以用于推进也可以用于获能，具有环境友好、结构鲁棒、环境适应强和易加工等特点，其可作为传统风力透平或水力透平之外的另一种可选择的能量转换方式。.主要研究内容：. 为了提高扑翼的获能性能，本项目开展的研究内容包括：基于动网格技术、多参考系、相对坐标技术或重叠网格技术的扑翼复合运动的数值计算方法；扑翼翼型自身前缘变形、尾缘变形和整体圆弧变形对获能特性的影响和机理分析；扑翼前缘柔性小板、尾缘柔性小板对获能特性影响和机理分析；基于流动控制技术以提升获能特性，如在翼型前缘布置局部自适应柔性气囊、翼型尾缘布置自适应格林襟翼；为了提高多扑翼间相互作用的获能特性，提出一种新型反D型轨迹；鉴于扑翼环境适应性强的特点，开展了约束空间扑翼获能特性研究，考察了地效、自由面、来流波及其耦合作用对获能特性的影响；振荡翼型动态失速特性研究；设计并制作了扑翼获能装置原理性样机，开展了实验测试和流动控制技术的验证；此外，设计了直线运动式和摆动式全被动扑翼获得装置。.重要结果：. （1）采用各种手段提高扑动翼型升沉力做功能力是提高获能效率的关键；（2）存在两种典型涡结构：前缘涡和贴体涡，其与翼型运动的合适作用可使得扑翼获得高效率；（3）扑翼在约束空间（自由面、地效、来流波）作用下可以体现优势特点；（4）扑翼推进和获能的主要差异在于俯仰攻角的变化，可以共用一套装置以适应自续航推进设备。.关键数据：. 结题时以本项目作为第一标注已发表的SCI论文6篇，EI论文1篇，北大核心期刊论文2篇，会议论文2篇，获得授权发明专利1项，培养毕业硕士研究生1名。.科学意义：. 探索了多种分析扑翼运动的流场分析方法，掌握了影响扑翼获能效率的几何参数、运动参数和工况参数的规律，基本探明了变形扑翼、流动控制技术和局部约束空间影响获能效率的内在机理，为大幅运动体与流场的相互作用研究提供了分析方法和理论指导。