食蚜蝇机动飞行的实验观测与数值模拟

The hoverflies usually perform maneuvering, during they are hovering or forward flight. So it is important to measure the wing kinematics and compute the aerodynamic forces and moments acting on the insects when they perform maneuvering. We will measure the wing kinematics and the morphological parameters of the wings and body of the insects, then compute the aerodynamic forces and moments by solving the Navier-Stokes equations. First, we can capture the hoverflies making maneuver (including fast change in flight speed, saccade and roll) using three-dimensional high-speed video, then the time courses of wing and body kinematics (such as the frequency, stroke amplitude, angle of attack, and the position angle of the body) will be measured. And then we will employ the method of computational fluid dynamics (CFD)to compute the aerodynamic forces and moments of the wings moving according to the measured kinematics. Analyzing the time courses of the wing kinematics and aerodynamic forces and moments could provide insights into how the wing motion and aerodynamic forces and moments are controlled to generate the maneuver.The engineers can get the new idea for the Micro Air Vehicle from our research results.

食蚜蝇在悬停或前飞的飞行过程中，有相当多的时间内是作机动飞行的，因此获取其机动飞行时的运动学参数，研究其机动飞行时的空气动力学机理显得非常重要。本项目拟采用实物观测和数值模拟的方法研究食蚜蝇在机动飞行过程中的运动学参数及空气动力学机理。首先，用三台高速摄像机拍摄食蚜蝇的机动飞行（包括快速加速或急停、快速转弯、滚转）过程，基于立体视觉的方法，测量翅膀和身体的运动学参数（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），结合实验测量获得的运动学参数和形态学参数，给出其机动过程中的气动力特性及流动结构，解释产生机动飞行所需的空气动力学机理，解释为何通过此种运动学参数的改变来实现其机动飞行的。为工程师研究微型飞行器的机动飞行问题提供新的理念。

本项目采用实物观测和数值模拟的方法研究了食蚜蝇在机动飞行过程（快速转弯、滚转）中的运动学参数及空气动力学机理。首先，用三台高速摄像机拍摄得到了食蚜蝇快速转弯和滚转过程的图像序列，基于立体视觉的方法，测量得到了翅膀和身体的运动学参数（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。通过实验观测发现，一只食蚜蝇在10个拍动周期（约63ms）的时间内，其头部转动了80度左右；另一只食蚜蝇在10个拍动周期（约50ms）的时间内，绕体轴实现了约180度的滚转运动。然后利用实验测得的参数，基于流体力学方程（N-S方程），计算得到了食蚜蝇在机动飞行过程中的气动力特性及流动结构。研究结果表明食蚜蝇主要是通过控制左右翅上下拍攻角的变化来产生偏航力矩实现其转弯运动，通过控制左右翅拍动角的变化来产生滚转力矩实现其身体的滚转运动的。这将为工程师研制微型飞行器的机动飞行问题提供新的理念。