基于风洞实验的蜜蜂飞行机理研究.pdf

《基于风洞实验的蜜蜂飞行机理研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于风洞实验的蜜蜂飞行机理研究赵红燕2015年1月中图分类号：O3UDC分类号：531基于风洞实验的蜜蜂飞行机理研究作者姓名赵红燕学院名称机电学院指导教师马巍研究员答辩委员会主席秦太验教授申请学位工学博士研究方向计算力学与工程仿真学科专业力学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ReserchonFlightMechanismsofHoneybeesBasedonWindTunnelExperimentsCandidateName：HongyanZhaoSchoolorDepartment:Mechatronica

2、lEngineeringFacultyMentor:Prof.WeiMaChair,ThesisCommittee：Prof.TaiyanQinDegreeApplied:DoctorofEngineeringMajor：MechanicsResearchDirection：ComputationalMchanicsandEngineeringSimulationDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文

3、是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要微型扑翼飞行器具有体积小、功耗低和机动灵活性高等一系列优点，能在复杂地形和恶劣环境下完成普通飞行器无法完成的任务，可广泛应用于军事侦察、航空摄影和环境监测等领域，因此对扑翼飞行机

4、制的研究有重要的理论价值和应用前景。本文借鉴自然界中的飞行生物研究扑翼飞行的机理，选取蜜蜂为研究对象，采用风洞实验和数值计算相结合的方法，对蜜蜂的飞行机理进行了系统的理论研究。论文的主要研究工作如下：（1）设计并制作了用于小型昆虫流场显示实验的低速风洞。为保证风洞的流场品质，研究了风洞实验段、扩散段和收缩段的尺寸对流场品质规律的影响，确定了风洞各段的最佳尺寸，选择了维多辛斯基曲线作为收缩曲线线型；为降低湍流度，保证气流的平稳性，在稳定段和动力段添加了蜂窝器和阻尼网；设计并调试了发烟装置，对高速摄像机和灯光进行了合理的实验布局，

5、开发了完整的流场显示实验系统。（2）在低速烟风洞中，采用两台高速摄像机同步拍摄蜜蜂，获得了蜜蜂的振翅规律；利用烟线法研究了蜜蜂振翅时的远场和近场流场的变化特征，研究了尾迹涡对诱导速度的影响，提出了蜜蜂振翅时涡的演变规律。翅下拍时，连续的翅尖涡尾迹形成涡管；翅外旋时，产生下拍停止涡与上拍启动涡；翅的弦向变形使得前、后翅尾缘处的涡量方向相反；下拍末期，前缘涡最明显，由翅根至翅尖方向前缘涡的尺寸是递增的；在蜜蜂振翅的下拍末期，左、右翅上各有一涡环，涡环由沿着翅展的前缘涡、翅尖涡尾迹涡管和翅根涡尾迹组成；根据涡环计算的升力大于蜜蜂的重

6、力，这表明蜜蜂振翅产生的升力，不仅能够维持自身重力，还可携带一定的重物进行飞行。（3）建立了蜜蜂模型和坐标系，基于蜜蜂的振翅规律给出了翅的运动方程，利用动网格技术数值模拟计算了蜜蜂振翅时的流场。数值模拟结果验证了风洞实验的结论：翅在拍动时，翅上附着有前缘涡、翅尖涡、翅根涡和尾缘涡；翅下拍末期，由翅根至翅尖，前缘涡的尺寸增大，与翅尖涡连接在一起；下拍末期，尾缘处存在下拍停止涡，会降低升力，上拍初期，尾缘处存在上拍启动涡，能够提高升力；下拍末期，在左（右）翅上，翅尖涡尾迹、翅根涡尾迹和翅面附近的涡量能够组成完整的涡环，且涡环为圆形

7、。此外，数值结果还表明：翅的旋转使得前缘涡在上（下）拍末期尺寸达到最大；在上拍末期，上拍期间形成的翅尖涡尾迹、翅根涡尾迹和翅边界处的涡量连接在一起形成耳状涡环；在上拍涡环和下拍涡环的中心，均有垂直于涡环平面向下的射流。I北京理工大学博士学位论文（4）基于实体蜜蜂翅，建立了蜜蜂翅模型及翅的坐标系，定义了翅的升力、推力、气动功率和惯性功率；数值模拟计算对比了单翅模型、双翅模型和整体蜜蜂模型的力和功率，结果表明左、右翅的相互作用以及蜜蜂身体均对单个翅的气动影响可忽略不计；针对蜜蜂单翅模型，通过数值模拟计算分析了频率、最大拍动角、中期

8、攻角、翻转时刻和旋转轴位置等不同影响因素对气动力和功率的变化规律。研究结果为将来研制微型仿生扑翼器有一定的指导意义。关键词：蜜蜂；风洞；涡；流场显示实验；数值模拟II北京理工大学博士学位论文AbstractTheMicroAerialVehicle(MAV),whichcan