昆虫振翅飞行原理的数值模拟研究………………………………………程

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1、昆虫振翅飞行原理的数值模拟研究TheNumericalSimulationofInsectsFlight北京大学力学与工程科学系理论与应用力学专业98级程暮林摘要昆虫经过漫长的进化过程，获得了令人惊叹的飞行技巧，其高度的飞行机动性令现代飞行器黯然失色。随着非定常流理论的不断完善，人们逐渐认识到非定常效应在昆虫飞行中起着重要作用。前人采用实验和无粘假定下的理论分析的方法对此进行了一些研究。然而由于该问题本身的复杂性，使得理想化的理论分析和试验的研究手段难于得到全面和深入的结果。本文采用流体力学数值模拟方法研究本问题，通过采取转换参

2、考系的方法对昆虫的振翅飞行所扰动而产牛的流场进行了数值模拟，克服了直接对此问题进行数值模拟所必然遇到的困难一“动边界问题”，缩短了计算时间。文中通过改变控制飞行的各个参数，从而比较详细的研究了这些参数对昆虫飞行的影响，为研究昆虫的飞行控制机制提供了依据。AbstractInsectshavegainedverysurprisingabilityofflightafterthousandyearsofevolution.Peoplehavecometorealizetheimportanteffectofunsteadyflowi

3、ngettingenoughliftforinsectswiththeimprovementofUnsteadyFlowTheory.Wehavegotsomeusefulresultswithexperimentalandtheoreticalmethods,butnowitisdifficulttogofuthurewithsuchmethod&Inthisarticle,Iusethenumericalsimulationmethod(thestandardk・£turbulencemodel)inanon-inertia

4、referencelinkedtowings,thusavoidthedifficultyfrommovingboundaryandsavethetimeofcomputation*ThenIsummarizetheeffectofdifferentparameterscontrollingtheflightofinsectswiththiscomputingmethod.一.前言经过几千万年漫长的进化过程，昆虫获得了令人惊叹的飞行本领，有的昆虫能够悬停于空中，有的能够以很小的曲率半径急速转弯等等。这种高度灵活的飞行控制能力是人

5、类现有的飞行机械所无法比拟的。因此，关于昆虫振翅飞行原理的深入研究将有助于提高现有的飞行器的性能，推动微型飞行器的开发和研制。昆虫学家们很早就对昆虫的飞行发生了浓厚的兴趣，随着技术的发展，他们采用高速摄影，摄像技术对各种昆虫的飞行进行了大量的拍摄，并且同时测得了一些与昆虫飞行相关的参数(如振翅频率，振翅的振幅等等)【1〜4】，通过对这些数据进行数据拟合等处理后，他们发现这些参数间存在一定的关系，例如，翅的表面积正比于昆虫质量的2/3方，而振翅频率正比于昆虫质量的一1/4方。虽然这些规律均是比较粗糙的，但能够证明这样一个观点：虽然

6、经过上千万年的漫长进化过程，由于环境的差异导致各种昆虫彼此的形态，大小，习性均有较大的差异，然而由于受到“振翅飞行”这一物理条件的限制，各种昆虫的身体结构，翅的形态，翅的运动模式等飞行参数必然符合一定的力学规律。然而生物学家的研究受到一定的限制，未能对这个问题进行深入的数理分析，需要力学工作者的参与和合作。传统的空气动力学只注意翼型在定常气流中的升力，它不能解释昆虫为什么能够通过扑翅获得足够的升力而浮于空中：按传统空气动力学计算出来的升力远小于昆虫的重力【5~8】，因此产生了“大黄蜂飞不起来”的谬误。随着非定常流理论的完善，人们

7、逐渐认识到非定常效应在昆虫飞行升力的产生中起重要作用。T.Weis-Fogh的研究解开“昆虫升力之谜”，在研究了大量的昆虫飞行的资料以后，提出了振翅飞行的Clap-Fling机制【9】。所谓的Clap-Fling指的是：昆虫的一对翅上抬至最高点，两翅面保持对应翅脉平行的合在一起(即Clap),然后从翅前缘(theleading弋cidge)绕翅后缘(7辰trailing-eadge)快速的剥开。当两翅面张开到一定程度时，两翅面彻底分开，分别继续作平动。出于理论分析和实验上的考虑，这种运动引起的流动被简化二维流动。右图是这种运动的

8、示意图(fig.l)ofig・l开始阶段两翅面靠在一起(fig.La),然后两翅面以某一角速度绕后缘匀速转动(fi&l.b),翅间的张角增大,空气挤入两翅面所张开的区域中。当两翅面张开的角度增大到一定值时(通常认为是次13)两翅面脱离接触(fig.l.c),各自