昆虫起飞的运动学观测及流体力学机理研究

本项目用实物观测和数值模拟的方法研究昆虫起飞过程中的运动学及空气动力学。首先，用三台高速摄像机拍摄昆虫的起飞过程，基于立体视觉的方法，测量身体和翅膀的运动学参数（如翅膀拍动频率，拍动幅度，攻角；身体位置，姿态等）和这些参数随时间的变化。然后，基于流体力学方程（N-S方程），结合所获得的运动学参数，给出起飞过程中的气动力特性及流动结构，解释产生起飞所需的高升力的机理，解释为何采取此种拍动参数实现起飞运动。为生物学家研究昆虫生理、进化等问题提供力学基础；为工程师研究微/纳型飞行器的起飞问题提供新概念和新原理。

本项目研究蜂蝇自主起飞过程的动力学与流体力学机理。用三台高速摄像机详细测量了蜂蝇的自主起飞运动，获得了蜂蝇起飞过程中翅膀和身体的运动学参数；基于测量的运动学数据，用计算流体力学的方法重现了蜂蝇起飞过程中的气动力变化。对身体质心运动数据进行光滑处理并微分，计算得到起飞过程中的惯性力。用惯性力减去气动力和重力，间接得到起飞过程中腿的弹跳作用力。研究结果表明，蜂蝇自主起飞，用10~14次拍动来逐渐增加拍动幅度，在约12次拍动后实现离地腾空。起飞过程中气动力从零单调增加到略大于昆虫重力，腿上的力由重力逐渐减小到零，说明蜂蝇起飞主要依靠拍动产生的气动力实现离地，而不是通过腿部的弹跳。这与之前其它昆虫的研究有很大不同，它们通过在短时间内产生很大的力来实现起飞，如蝗虫和果蝇主要通过腿的弹跳来产生5~10倍体重的弹力，蝴蝶通过翅膀的快速打开机制产生大的升力。而蜂蝇的起飞要相对平缓的多。