REFERENCES-中国力学学会.docVIP

昆虫拍动翅的前缘涡三维空间结构 申功炘1) 陆 远 任禹桥 黄烁桥 谭广琨 (北京航空航天大学 流体力学研究所, 北京100083) 昆虫（果蝇，蜻蜓）悬停飞行中，翅膀按照特定的拍动方式往复运动，产生非定常高升力维持身体的平衡。研究昆虫高升力机理，需要探索拍动翼运动引发的三维空间非定常流场的特性，尤其是三维空间非定常涡的发展变化过程。 将流动显示技术应用于动态模型实验，定性的观察拍动翼前缘涡( LEV )的发展破裂过程。针对昆虫翅悬停飞行拍动流场是一种强三维空间的周期性的流动，采用了DPIV和DSPIV（stereoscopic particle image velocimetry）技术系统与拍动运动模拟运动控制系统严格的相位锁相同步系统和一系列并行的切面 ( 激光片光 ) 的二分量速度场（高空间分辨率DPIV） 和三分量速度场（DSPIV））AR（1.3, 3.5, 5.8, 7.5, 10）, αm (10°~80°8种), 和在雷诺数Re (160~3200，6种) 下均存在双同向涡结构，见图1。 采用DSPIV系统技术观测结果表明：揭示了拍动翼前缘涡沿展向的三维空间流动结构，在雷诺数Re = 960，拍动翼运动至相位时，翼面上前缘涡在沿展向距翼根约60％展长的位置发生破裂；揭示了展向流的存在，翼根至破裂点之间，展向流动稳定，指向翼梢; 展向流在破裂点以后，改变方向，指向翼根。见图2。 关键词 拍动翼，周期性三维空间流场, 前缘涡, 展向流, DSPIV, 锁相同步 图1 拍动翼前缘涡双同向涡结构 图2 重构的拍动翼(相位π/2)三维空间三分量展向速度场 小昆虫“clap-fling”运动机制的数值模拟 张来平1) 常兴华 段旭鹏 王振亚 张涵信 (中国空气动力研究与发展中心, 四川绵阳 621000) 昆虫是世界上体积最小的飞行者，它们能够在很小的雷诺数下通过特有的运动机制产生非常大的非定常升力，满足自身飞行、机动的需要。昆虫的扑翼飞行中，翼基本上保持在一个拍动平面内做“上挥-下拍”的运动。关于这种扑翼飞行中非定常高升力产生的原因，许多专家学者开展了各个方面的研究工作，并得到了许多有意义的研究成果[1-2]。对于一些体积更小的昆虫如台湾小黄蜂等，翅膀运动的雷诺数大约只有20，除了“上挥-下拍”的运动方式外，Weis-Fogh[3]认为这些小昆虫翼在背部的“合拢-打开”过程是其产生高升力的主要原因之一，称为“Weis-Fogh”机制或“clap-fling”机制。Miller[4]通过数值模拟，对不同雷诺数下的“clap-fling”机制进行了研究，发现雷诺数越小，该机制对升力的增强作用越明显。但是在他的研究中，选取的是一个纯粹的“合拢-打开”过程而非周期性过程，在昆虫翼的周期性拍动中，这一结论是否成立，还需要深入细致的研究。本文通过动态混合网格技术和基于虚拟压缩的不可压缩流非定常算法，对不同雷诺数下“clap-fling”的周期性运动进行了数值模拟，并与单个翼的拍动进行了对比数值模拟。通过对比分析，探讨了“clap-fling”机制能够增强升力的原因，并分析了雷诺数对升力、流场的影响。图 1为不同雷诺数下一个周期内升力系数随时间的变化曲线，左边为“clap-fling”机制，右边为单个翼的拍动。“clap-fling”机制下，在翼的“合拢”、“打开”过程中，几个升力峰值要明显高于单翼情况下的峰值，而“打开”之后的平动过程中，升力一直维持在一个较大的数值，直到翼开始减速、翻转。 图1 不同雷诺数下一周期内的升力系数. 左：“clap-fling”机制；右：单个翼的拍动 参考文献 Dickinson MH, Gotz KG. Unsteady aerodynamic performance of model wings at low Reynolds numbers. J Exp Biol, 1993, 174: 45~64 孙茂. 昆虫飞行的高升力机理. 力学进展，200(3)：425~434 Weis-Fogh, Quick estimates of flight fitness in hovering animals, including novel mechanisms for lift production. J Exp Biol, 1973, 59: 169~230 Miller LA, Peskin CS. A computational fluid dynamics of ‘clap and fling’ in the smallest insects. J Exp Biol, 208: 195~212 黏弹性蜻蜓模型翼挥拍的流固耦合求