鸟类扑翼飞行流动控制机理的数值研究

The unsteady flows over the flapping wings of a pigeon-like bird will be simulated numerically by the unsteady flow solver based on the dynamic hybrid grid technique. The geometry and kinematics will be modeled firstly by observing the flapping motion of a pigeon. Then, the aerodynamic mechanism for unsteady lift and thrust generation will be studied with the unsteady flow solver based on the dynamic hybrid grid technique. Furthermore, the mechanism for turning/accelerating will be studied. Based on the numerical results, the kinematics of flapping wings will be optimized to improve the flight efficiency.

该项目拟通过动态混合网格技术及非定常数值计算方法，对鸟类扑翼飞行的非定常流动进行数值模拟，并对其非定常流动机理进行分析。通过测仿鸽子的扑翼飞行过程，研究鸟翼的运动及变形规律，建立扑翼运动的数学模型；通过数值模拟鸽子的扑翼飞行过程，分析其非定常气动力产生机理，对其翼型及运动方式进行优化，并对其转向、加速等飞行控制机理进行初步探讨。拟达到的研究目标是：建立一套针对复杂外形及复杂柔性变形问题的数值模拟方法；针对鸽子外形，建立其扑翼运动的数学模型，了解扑翼飞行的非定常气动力产生及转向、加速等流动控制机理。

小型扑翼飞行器具有非常重要的国防和经济价值，因此逐渐成为国内外科研机构研究的一个热点领域。和常规的固定翼飞行器相比，采用扑翼的方式可以在低雷诺数下产生更大的升力，且具有更小的噪音和更高的飞行效率。自然界的鸟类、昆虫等经过亿万年的进化，具有优越的飞行能力，因此，对其扑翼过程的运动学机制以及非定常气动力的产生机理开展研究具有非常重要的意义。.鸟类的扑翼飞行是一个非常复杂的多学科交叉问题，涵盖了生物学、流体力学、材料力学、飞行力学等学科，且由于鸟类是自主运动的生物体，对其进行观察研究具有很大的难度。而采用数值方法研究，则需要解决翼型的构造、扑翼过程的运动学机制、非定常流动、气动-运动的耦合、翼型的主动-被动变形等各方面的问题，就目前的计算能力而言仍具有相当大的挑战性。因此，目前国内外针对扑翼过程的数值研究普遍采用了简化的模型，如无厚度的平板、二维翼型等。这些针对简化模型的研究有助于分析扑翼过程的非定常气动力产生机理，也给出了很多定性的结论。但是真实鸟类的扑翼过程是复杂的，其存在非常强的三维特性，且存在剧烈的柔性变形，这些运动及变形机制对其飞行能力的影响十分重要，因此非常有必要对其开展更加细致的研究。.本项目选择中等体型的鸟类（鸽子、海鸥）作为研究对象，对其巡航飞行时的扑翼运动机制、扑翼参数的影响等进行了数值模拟及分析。首先发展了基于径向基函数的网格变形技术，建立了NS方程-RBD方程的紧耦合算法，从而建立了适用于鸟类自主飞行过程研究的数值模拟技术；在此基础上，针对二维扑翼问题进行了数值分析，探讨了翼型及下拍时间对扑翼效率的影响；进一步针对三维鸽子及海鸥外形的扑翼过程进行了数值模拟，建立了两段翼扑翼运动模型，分析了下拍时间、拍动角度、扭转角等各种扑翼参数对非定常气动力及流场结构的影响。通过这些研究，对扑翼运动的气动力产生机理有了更为深刻的认识，得到了各种扑翼参数的影响规律，为后续针对自主飞行过程、机动飞行过程的研究奠定了基础。