基于TR-TomoPIV技术的蜻蜓前后翅扑翼相互作用及高升力产生新机制的实验研究

This project is to develop and explore forewing-hindwing flapping flow characteristics and high-lift mechanism dragonfly, and to set a TR-TomoPIV, six components dynamic force transducer and flapping mimetic mechanism joint measurement system.Flow field around flapping wing mechanism and six components of aerodynamic during hovering and forward flight of dragonfly and the influence of forewing-hindwing flapping parameters will be tested with the joint measurement system and flapping wing inertia force and aerodynamic testing system. Detailed analysis of dragonfly flapping wing flow characteristics of flow around forewing and hindwing will be conducted. Power requirement analysis and other methods will be used to reveal the new high-lift mechanism of dragonfly wings. This project not only has important scientific significance for promoting the development of bionic flapping wing aerodynamics, but also provides new concepts and effective way for the development of advanced high-performance technology MAV.

本申请项目以蜻蜓前后翅扑翼流动相互作用和高升力产生机制研究为目标，建立仿蜻蜓双翅扑翼机构运动、动态六分量测力以及TR-TomoPIV同步测量系统；着重开展仿蜻蜓双翅扑翼机构模拟复现蜻蜓实际飞行时悬停、前飞以及不同频率不同相位组合的前后翅扑翼运动规律，同时开展动态六分量测力和前后翅绕流流场及尾涡流场TR-TomoPIV测量，获得气动力以及三维流动结构及周期演化特性结果，揭示蜻蜓前后翅扑翼参数如前后翅相位及扑动频率等参数的影响规律，运用能耗分析方法探究蜻蜓双翅扑翼产生高升力的新机制。本项目的研究不仅对推动仿生扑翼空气动力学发展具有重要的科学意义，而且可以为发展先进高性能微型扑翼飞行器提供新概念和有效的技术途径。

本研究开展了仿蜻蜓双翅扑翼机构实现悬停和向前飞行过程中前后翅扑动时相互干扰作用的现象研究。首先发展了仿蜻蜓双翅扑翼机构及动态测力和PIV测试技术，实现能够改变双翅不同位置参数同时进行气动力和流动定量化显示及测量。研究发现前后翅相互作用对总的升力产生是不利的；但前翅由于后翅的前缘涡对其有上洗作用会产生更多升力。而后翅受到前翅下洗流的影响，前飞时升力也有显著减少。前后翅同相飞行时可以产生比其他有相位差时更大的升力，而270º相位差时产生升力的最小。在悬停时，蜻蜓使用反相180°飞行，主要产生以增加稳定性和减少振动为目的的常规升力。. 双翅扑动过程中前后翅下洗流将会与前缘涡发生相互作用。下洗流对后翅升力的相互作用效应取决于两个因素：流动相互干扰的强度和出现时间。相位差变化主要作用是控制流动干扰和气动力产生出现的时间同步。前后翅反相时后翅在其下行冲程期间遇到下洗流，但是前后翅同相时上述现象出现在上行冲程期间。双翅同相可以保证两翅之间的近距离，前缘涡可相互作用并干扰，以增强前翼的力产生，而不管蜻蜓是在转弯，盘旋或向前飞行。