三维扑翼空气动力学性能的数值仿真研究

发布时间：2024-06-07 22:59

　　针对现有扑翼飞行器的控制方式仅为单自由度或双自由度控制,空气动力学性能(以下简称气动性能)差,无法实现真实模拟仿生运动扑翼的问题,提出三维扑翼空气动力学性能的数值仿真研究。首先采用三维鸟翼外形模型,编写扑动角、扭转角和平动运动的控制方程,将用户自定义函数(UDF)耦合到Fluent求解器中,计算单自由度、两自由度和三自由度下,扑翼的平均升力系数、阻力系数和涡量云图,并将三种自由度扑翼数值结果进行对比分析。仿真结果表明,三自由度扑翼的升阻比较单自由度、双自由度扑翼升阻比均有显著提高,说明采用三自由度似鸟扑翼飞行器具有更好的气动性能,可为仿生扑翼的进一步优化设计提供理论指导。

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【部分图文】：

图1鸟形扑翼结构模型

考虑到流动的充分发展和计算的准确性,计算区域大小为11L×35L×11L(如图2所示),其中沿流动方向上设定35倍的翼弦长。网格划分使用ICEMCFD软件完成,采用三角形非结构网格来离散鸟翼模型及外计算域周围的流场[12]。为了得到扑翼边界的流场状况,近壁面采用加密棱锥网格,第....

图2扑翼的升阻力定义

针对本文扑翼模型,对单自由度,双自由度和三自由度扑翼在相应的周期中的升力系数、阻力系数进行计算(计算公式如式(7)和式(8)所示),得到升力和阻力系数随时间变化的曲线如图4、图5所示。图5扑翼阻力系数对比

图3扑翼计算域

图4扑翼升力系数对比从图4、图5可以看出,单自由度,双自由度和三自由度的升力、阻力系数都是周期性循环变化。其中,单自由度扑翼稳定状态下,其升力系数为0.3,阻力系数为0.065,升阻比约为4.6;双自由度扑翼稳定状态下,其升力系数为1.2,阻力系数为0.23,升阻比约为5.2;....

图4扑翼升力系数对比

为了阐述不同自由度对扑翼气动特性的影响机制,分别取不同时刻单自由度、双自由度和三自由度扑翼Fluent计算数据文件,导入到后处理软件Tecplot进行后处理,得到相应的涡量云图,如图6所示。图6的三个图中左列为在t=0.25s,是扑翼的下扑状态,右列是t=0.75s时扑翼在相同位....

本文编号：3991080