昆虫飞行的空气动力学-力学进展.PDF

昆虫飞行的空气动力学 北京航空航天大学 流体力学研究所 孙 茂 摘要 昆虫是最早出现、数量最多和体积最小的飞行者。它们能悬停、跃升、急 停、快速加速和转弯，飞行技巧十分高超。由于尺寸小，因而翅膀的相对速度很 小，从而进行上述飞行所需的升力系数很大。但昆虫翅膀的雷诺数又很低。它们 是如何在低雷诺数下产生高升力的，是流体力学和生物学工作者都十分关心的问 题。近年来这一领域有了许多研究进展。本文对这些进展进行综述，并对今后工 作提一些建议。因 2005 年前的工作已在几篇综述文章有了详细介绍，本文主要 介绍 2005 年以来的工作。首先简述昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的基本方程和 相似参数；然后对 2005 年之前的工作做一简要回顾。之后介绍 2005 年后的进展， 依次为：运动学观测；前缘涡（LEV ）；翅膀柔性变形及皱褶的影响；拍动翅的 尾涡结构；翼/身、左右翅气动干扰及地面效应；微小昆虫；蝴蝶与蜻蜓；机动 飞行。最后为对今后工作的建议。 1 引言 有翼昆虫在约 3.5 亿年前就开始飞行了（Wootton 1981 ，Ellington 1991 ）。在 漫长的进化过程中，它们已成为飞行的佼佼者，能悬停、跃升、急停、快速加速 和转弯（Dudley 2000 ）。人们对其中的空气动力学原理十分感兴趣。这里除了好 奇心之外，还有两个原因。其中一个是：昆虫飞行中气动力的产生及产生这些力 所需的能耗对昆虫的生理学、行为学、进化等方面都有很大的影响，生物学家在 研究这些问题时需要了解气动力的特性（Weis-Fogh 1972 ，Ellington et al. 1990 ）。 另一个是：工程师希望制造尺寸为厘米量级的微型飞行器（Davis 1996 ，Wilson 2001 ），他们想学习和模仿昆虫产生气动力的方法（Ellington 1999 ，Ma et al. 2003 ）。 昆虫飞行的翅膀快速拍动和翻转。拍动有如直升机旋翼桨叶或螺旋桨桨叶的 转动；不同的只是直升机桨叶总是向一个方向转动，而昆虫翅转动一定角度后， 就翻转过来，向相反方向转动，周而复始。早期，人们认为，昆虫翅与旋翼桨叶、 飞行机翼一样，都是以某一攻角相对空气运动，因而，昆虫产生气动力的原理和 飞机一样，与滑翔或上升气流中翱翔的鸟一样，没有什么新机制。但当人们用飞 机的机翼理论去计算昆虫的气动力和飞行的能耗时，发现翅膀产生的升力远不够 平衡昆虫的重量。这是因为，昆虫的尺寸很小（翅长为 1-50mm），因而相对速 度很小，所需的升力系数很大，可达机翼的 5 倍多。因而，人们认识到昆虫是用 不同于飞机和直升机的空气动力学原理产生气动力的（例如见 Ellington 1984a ）。 人们对昆虫飞行的空气动力学原理的探索已有约 100 年的历史；在过去的二 十多年中，取得了很大的进展。可以说，已有了很深入和比较系统的了解 （Weis-Fogh and Jenson 1956 ，Ellington 1995 ，Sane 2003，Wang 2005 ，Wu 2011 ）。 1956 年 Weis-Fogh 和 Jensen （1956）系统地评述之前的相关工作。2005 年左右， Sane （2003 ），Wang （2005 ），Sun （2005 ）及Ausai 等（2006 ）的综述论文介绍 了 Weis-Fogh 和 Jensen （1956）的评述之后 2005 年之前的进展。因而，本文主 要介绍 2005 年以来的工作。首先简述昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的基本方程 和相似参数（第 2 节）；然后对2005 年之前的工作做一简要回顾（第 3 节）。之 后介绍 2005 年后的进展，依次为：运动学观测（第 4 节）；前缘涡（LEV ）（第 5 节）；翅膀柔性变形及皱褶的影响（第 6 节）；拍动翅的尾涡结构（第 7 节）； 翼/身、左右翅气动干扰及地面效应（第 8 节）；微小昆虫（第 9 节）；蝴蝶与蜻 蜓（第 10 节）；机动飞行（第 11 节）。最后为对今后工作的建议（第 12 节）。 2 昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的支配方程和相似参数 2.1 昆虫翅的拍动运动 大多数昆虫的翅膀近似在一个称为拍动平面的平面内拍动（图 1）。对于某 一昆虫，拍动平面与身体的夹角通常是固定的。若将昆虫翅膀近似为一刚性板， 则翅膀的拍动运动（翅膀相对于身体的运动）可用三个欧拉角来描述：