昆虫着陆和障碍规避的运动学测量及流体力学机理研究

Insect landing and obstacle avoidance will be researched using experimental measurement and numerical simulation methods. First, the time courses of wing and body kinematics of free-flight insects will be measured using 3D high-speed video. The measured wing and body kinematics will be used in a Navier-Stokes solver to compute flow fields and aerodynamic forces and moments acting on the insects. Fluid mechanisms in landing and obstacle avoiding will be examined and we try to answer why insects choose these kinematic parameters? These results provide new concepts and principles to the designers of Micro Air Vehicle and contribute to the understanding of physiology, behavior, evolution, and other aspects of insects.

本项目用实物观测和数值模拟的方法研究昆虫着陆和障碍规避过程中的运动学特征及流体力学机理。首先，用三台高速摄像机拍摄昆虫的着陆和障碍规避过程，基于立体视觉的方法，测量昆虫翅膀和身体的运动学参数（包括翅膀拍动频率、幅度和攻角，身体位置和姿态等）及这些参数随时间的变化过程。然后，使用所获得的运动学参数，通过数值求解流体力学方程（N-S方程）的方法，给出昆虫着陆和障碍规避过程中的气动力特性及流场结构。解释昆虫着陆和障碍规避过程中机动飞行所需气动力的产生机理，解释为何采用观测到的运动参数来实现着陆和障碍规避运动。为工程师设计微小型飞行器提供新的概念和原理，为生物学家研究昆虫生理、形态和进化等问题提供力学基础。

使用三维高速摄影技术与计算流体力学方法，研究了黑腹果蝇在竖直杆上着陆的运动学与力学过程。研究发现，果蝇着陆与鸟类及飞机的减速着陆不同，是加速着陆：果蝇首先在距离竖直杆约25mm处进行一段拟悬停并将身体姿态调整为朝向竖直杆，随后加速飞向竖直杆直至前腿与竖直杆接触；前腿与竖直杆接触时发生碰撞，腿部与竖直杆之间的作用力导致了大小为若干倍重力加速度的瞬时减速；腿部与竖直杆接触之后，果蝇质心在腿部作用力的作用下经过一段振荡后完全静止，同时气动力垂直向上并逐渐减小为零，果蝇的体重随之逐渐转移到腿部上。在果蝇质心振荡过程的最后约30ms中，整个果蝇可被视为弹簧-质量欠阻尼振荡系统，系统阻尼的来源主要为腿部肌肉与关节的摩擦阻尼，而非拍动翅的气动阻力。抬升角对拍动翅的气动力有显著的影响，这主要可以从两个机制来解释：一是抬升角产生的附加旋转效应，二是有效攻角增大效应。抬升角增加会导致拍动翅的能耗的增加，昆虫在悬停或者低速飞行时倾向于选择较小的抬升角，而在机动飞行时通过改变抬升角获得较大的升力，同时也消耗较多的能量。