低雷诺数与微型飞行器

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1、摘要微型飞行器（MAVs）的设计绝不是常规飞行器在尺度的简单缩小，面临许多技术难题，其中微型飞行器低雷诺数空气动力学是其最为根本的技术瓶颈之一，也是目前受到广泛关注的热点之一。本文紧密结合微型飞行器技术，对这一领域中所面临的低雷诺数空气动力学问题和近两年来该方向国内一些新的进展进行了较为详细的介绍。按照MAVs飞行方式和结构特性进行分类，简单介绍微型飞行器研究中的低雷诺数空气动力学问题。介绍了二维和三维固定翼低雷诺数空气动力学问题：包括层流分离泡，翼型升力系数小攻角非线性效应，静态迟滞效应，以及低雷诺数小展弦比机翼气动特性。以及国内学者近几年的研究

2、成果。关键词低雷诺数、微型飞行器、空气动力学1.引言美国DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)于1992年提出微型飞行器（microairvehicles，MAVs）概念后，由于它具有广阔的军事以及民用前景，该领域广受关注并快速发展。仅美国从事该项研究的单位就有150多家，研制出一批性能优良的试验样机。其中最具有代表性的是Aerovironment公司的“黑寡妇”、Sander公司的“微星”、麻省理工学院林肯实验室的“侦查鸟”、斯坦福大学的“Mesicopter”、加州工学院的“Microbat”和

3、加州大学伯克利分校的“微机械昆虫”等。国内，大约几十个单位在开展这方面的研究，已先后研制出多种型号，并进行了初步的飞行试验，但距完全自主飞行和满足实用化要求的目标还有较大的差距。制约微型飞行器发展的因素很多，主要归纳为以下几个方面：（1）低雷诺数高升阻比气动设计与增升措施；（2）控制问题：包括飞行稳定性、抗阵风干扰以及微型化导航和控制系统；（3）动力，能源和高效推进技术；（4）结构重量和微型化任务载荷。目前最为关键的技术瓶颈是MAVs低雷诺数空气动力学技术。飞行生物仿生流体力学和微型飞行器低雷诺数空气动力学是近几十年来广受关注的热点问题，目前该领域

4、已进行过大量相关研究。本文结合微型飞行器技术，较为详细的介绍相关低雷诺数空气动力学问题，介绍了近两年来该方向国内一些新的进展。同时，近期智能可变形飞行器成为国内研究工作的热点之一，文中也对可变形微型飞行器气动技术方面做了简要的介绍。2．微型飞行器及与之相关的低雷诺数空气动力学MAVs最初目标是研制类似于蜂鸟或昆虫尺度的微型飞信器，基本技术指标是：飞行器各向尺寸不超过150mm，重10~100g，续航时间20~60min，巡航速度30~60km/h，最大飞行距离1~10km，可实时图像传输，能够自主飞行。15cm并非铁定，需要看气动技术和工艺水平。总

5、的来说低速、小尺度和低雷诺数是其主要技术特征。MAVs绝不是常规飞行器的简单缩小，在低雷诺数空气动力学动力学设计上将面临巨大挑战。首先介绍何为低雷诺数。不同领域，雷诺数高低区分大不相同。雷诺数表示惯性力和粘性力的比值；。在化工、环境工程、采矿工程、物理、化学、生物力学、地球物理学和气象学中的某些问题，常常需要讨论的微小粒子、液滴或气泡在粘性流体中缓慢运动，其雷诺数在1附近，甚至接近0。相应的流动问题成为欧辛（Oseen6/6）流动和斯托克斯（Stokes）流动，此类问题有专门的研究方法，Happel和Brenner总结了此类问题在20世纪60年代中

6、期以前的工作。严宗毅对此类低雷诺数问题70年代后到目前的研究手段和进展进行了总结。Lissaman提到在航空领域Re=~为低雷诺数。本文介绍的微型飞行器低雷诺数空气动力学，研究范围与Happel、Brenner和严宗毅不同。常规飞行器雷诺数大于，微型飞行器，其雷诺数为~量级，且随着飞行器进一步小型化，雷诺数下探至~量级，甚至更低。本文感兴趣的雷诺数范围是~，此时空气动力学问题存在其自身特点，主要表现在层流分离效应和非定常效应，流场和气动性能易受湍流独和表面粗糙度等因素影响。同时MAVs飞行速度和风速为同一个数量级，风速的变化会造成雷诺数发生剧烈的变

7、化，从而使按常规思想设计的飞行器气动性能、稳定性和操纵性急剧恶化。下面分别按照MAVs飞行方式和结构特性，简单介绍微型飞行器研究中的低雷诺数空气动力学问题。1.固定翼低雷诺数空气动力学问题低雷诺数下，粘性效应和非定常效应显著，固定翼流场结构和气动特性与高雷诺数显著不同。首先二维翼型在低雷诺数条件下出现：（1）层流分离泡(laminarseparation)现象，如图1。按分离泡的位置和长度，分为端泡和长泡。短泡发生在翼型前缘附近，长度为弦长的百分之几。长泡发生在翼型前缘附近，长度为弦长的百分之几。长泡发生在翼型后部，长度占翼型的15%~40%;(2

8、)雷诺数在~时，光滑机翼气动特性急剧变坏，升力系数快速下降，阻力系数快速增大，最大升阻比急剧下降（图6/62）；（3）升力