各向异性柔性扑翼的流固耦合机理研究

This project is targeting to experimentally investigate the complex fluid-structure interaction mechanisms of “anisotropic” flexible flapping wings. In view of the special configuration of anisotropic flapping wing, new experimental strategies will be proposed based on the previous research activities accordingly. The implementation of this project is to observe the flexible deformation of anisotropic flapping wings under the aerodynamic forces, and its effect on the force generation as well as the 3D flow topology at the vicinity of the wing. A deformation reconstruction method is first developed using the stereo-triangulation technique, and the results will be utilized to establish the non-linear mathematical model of anisotropic flapping wings. Subsequently, an integrated method is developed in order to reconstruct the flow-field in Stereo-PIV gap, meanwhile, the Stereo-PIV data sheets will be reconstructed through a “Kriging regression by considering the measurement uncertainty” method and thus fully visualizing the three-dimensional flow-field. Eventually, a series of studies will be conducted by varying the flexible topology and motion pattern to investigate the fluid-structure interaction of anisotropic flapping wing. Outcomes will be used to guide the optimization of anisotropic flexible flapping-wing and thus applied on the design of flapping-wing micro air vehicles.

本项目以“各向异性柔性扑翼”为研究对象，在前期工作的基础上发展精细化的实验预测理论与方法，研究“各向异性柔性扑翼”扑动中的非定常气动力、非线性柔性形变和空间流动结构的相互作用关系，揭示其复杂的流固耦合机理。首先，基于空间多点三角测距理论发展扑翼非线性柔性形变的测量方法，通过精确捕捉扑翼的瞬时三维柔性形变建立能够准确描述各向异性柔性扑翼非线性形变的数学模型；其次通过实验数据与数值分析耦合的方式发展基于Stereo-PIV测量结果的“盲区”复原技术，同时研究“考虑PIV实验非确定性的空间精细化三维流动重构技术”来刻画扑翼周围的空间三维流场形态。应用本项目发展的理论和方法，研究各向异性柔性扑翼的“杆-膜”拓扑形态和运动参数对气动性能的影响规律，揭示其流固耦合机理，并探索各向异性柔性扑翼的气动优化策略，为扑翼微型飞行器的设计提供理论依据和技术指导。

柔性扑翼作为一种仿生的动力方式在气动力和惯性力的作用下会产生较大的非线性形变从而带来复杂的气动-结构相互作用，其复杂的流固耦合效应将在很大程度上决定扑翼的气动性能和控制稳定性。本项目以各向异性柔性扑翼为研究对象，发展相应的实验理论和数值方法以支持精细化的力学、光学和流场测量，来预测其非定常气动力、非线性柔性形变和流动拓扑结构的相互作用现象，探索其流固耦合机理，发展和补充现有的知识体系，完善仿生扑动动力布局的相关理论基础并推进其在工程实际上的应用。项目主要的研究内容和结果有：①发展基于POD技术的低频异步非定常流动相位识别与重构技术，解决了柔性扑翼非定常流场测量的硬件时域分辨率限制，实现了扑翼三维非定常流场的相域辨识与重构，为流场的精细化分析提供了低噪音、纯维度和准周期的流场样本数据；②发展了考虑实验不确定度的高斯过程回归空间三维流动重构技术，在实现对离散测量数据任意时空域重构的同时，通过引入不确定度降低了测量噪音对流场插补重构的影响，在此基础上应用主动学习的思想在降低对内存需求的同时大幅提升了流场重构效率；③开展了各向异性柔性扑翼在流固耦合作用下的非定常气动力与形变行为研究，获取了不同形态学和运动参数以及柔性分布对扑翼的气动特性影响规律，在此基础上归纳了针对采用柔性扑翼推进的高效气动力优化策略；④开展了柔性扑翼扑动过程中的三维流场特性研究，通过PIV三维测量技术识别了扑翼流场中的主要拟序结果以及涡场的干涉行为，联系形变与气动力规律，解释了其产生高升力的机理；⑤在完成项目研究内容的基础上，发展了可用于多柔性体大形变大位移问题的动态网格方法以及流场求解工具，对仿生柔性扑翼运动开展了三维非定常数值仿真研究，通过对精细化涡结构的解析廓清了其三维非定常流动特性。所完成的研究内容在理论层面上揭示了柔性扑翼的空气动力学以及流固耦合特性，在执行过程中构建了良好的国内外科研合作关系与合作机制。