仿鳥羽毛撲翼氣動性能分析

2020-04-10 05:24

液壓與氣動 2020年4期

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100192)

引言

撲翼仿鳥羽毛型飛行器是一種模仿鳥類撲翼飛行的新型飛行器，通過撲翼飛行使撲翼在撲動的過程中，同時產(chǎn)生向上的升力和向前的推力[1]。在空中飛翔時，鳥類可以任意改變飛行方式，很靈活，具有很高的機(jī)動性能，所以撲翼飛行成為了研究的熱點(diǎn)。由于其良好的氣動效率、隱蔽性、低噪聲等，在軍事和民用領(lǐng)域具有廣闊的前景。RAMAMURTI等[2]采用數(shù)值模擬方法模擬了果蠅的三維非定常流動，計算得到氣動力特性結(jié)果與實驗測值相吻合。

陳利麗[3]仿真分析發(fā)現(xiàn)柔性撲翼的升力和推力特性受彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形運(yùn)動的綜合影響。孫茂[4]通過實驗觀測蜂蠅的快速起飛過程，并計算分析其中的力學(xué)過程，處理所測得數(shù)據(jù)得到起飛過程中的慣性力和力矩，計算翅膀拍動產(chǎn)生的氣動力，由力學(xué)平衡得到腿部作用力。魏德宸等[5]設(shè)計了一種包括鴨翼、脊型前體、邊條翼、主翼和垂尾的模型，進(jìn)行了自由滾轉(zhuǎn)、擾動滾轉(zhuǎn)、靜動態(tài)測力等多種技術(shù)相結(jié)合的風(fēng)洞試驗。曾銳[6]用非定常渦格法計算變速-折疊撲翼仿鳥撲動模型，研究表明，折疊運(yùn)動得到的平均升力系數(shù)比剛性運(yùn)動更高。文獻(xiàn)[7]研究了八哥翅翼形態(tài)與飛行能力的關(guān)系，八哥起飛時，要具有很大的爬升角且此時八哥的翅翼的翼尖是圓形的。起飛時，爬升角比較小的情況下，翅翼的翼尖是尖形的。不同的翼尖形狀對鳥類起飛，有很大的影響。文獻(xiàn)[8]提出翼型具有羽毛蓋，其形狀和面積與基翼相同，主結(jié)構(gòu)骨架也是相同的，它由前翼梁和斜梁組成。飛行翼上的羽毛順序就像鳥翼的排列，在2個相鄰的羽毛中，靠近翼尖的在下面，而在翼根附近的在上面。

鳥類飛行是通過翅膀靈活運(yùn)動和羽毛共同作用產(chǎn)生升力和推力。鳥的羽毛是鳥類適應(yīng)飛行生活最具獨(dú)特性的構(gòu)造，羽毛為鳥翅膀提供流線外形、減小身體重量等方面具有非常重要的作用。羽毛覆蓋了鳥的全身，具有可再生及防水的作用，羽毛與骨骼組成的翅膀有利于鳥類飛翔[9]。

1 鳥類羽毛的組成及作用

1.1 鳥翅羽毛構(gòu)成

鳥類翅膀羽毛分布如圖1所示，可分為以下幾類[10]：

初級飛羽，分布在指骨肌肉的外部，構(gòu)成了翅膀的外翼部分，占翅膀整個面積的30%～40%。在指骨運(yùn)動和肌肉收縮的帶動下，初級飛羽有較大運(yùn)動幅度，是氣動力的主要來源[10]。初級飛羽中的單根羽毛形狀類似船槳，有些初級飛羽還能夠參與一定的獨(dú)立運(yùn)動。

圖1 鳥翅膀的羽毛

次級飛羽，覆蓋在上臂處的尺骨肌肉外部，形成了翅膀的內(nèi)翼部分，在上臂關(guān)節(jié)和肌肉的帶動下，羽毛內(nèi)翼面也會隨之運(yùn)動。由于次級飛羽具有較大的弧度，所以升力更容易產(chǎn)生。

三級飛羽，位于鳥類翅膀的根部和身體連接處的羽毛，鳥類的翅膀與身體之間形成一個光滑氣動面，讓氣流順利流過，預(yù)防紊流產(chǎn)生，一般而言，以滑翔飛行為主的大型鳥類都具有三級飛羽。

覆羽，長在鳥類身體的外表面及其翅膀的背部，讓鳥類身體和翅膀看起來像流線似的，并提供一定升力及可以減少一些阻力[11]。

1.2 單根羽毛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

單根羽毛的形狀類似船槳，并且具有精細(xì)的結(jié)構(gòu)。羽毛由羽莖、羽枝和羽枝小鉤等組成。羽毛整體葉面像平滑的流線似的，并且具有一定的彎曲度。羽莖的外側(cè)長有羽枝的部分是羽軸，羽軸是實心結(jié)構(gòu)。羽莖不僅有較高強(qiáng)度和韌性，還有非常輕的重量。羽軸橫向有大量羽枝，羽枝上長著許多的小羽枝和羽枝小鉤，它們相互交織在一起，形成一個平滑的像流線似的羽毛葉面[12]，羽毛整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 羽毛的結(jié)構(gòu)

為了滿足飛行姿態(tài)變化的不同需要，鳥類在飛行時，翼面形狀、翼面面積、展向弦長、翼型形狀都在變化。一般而言，體積較大的鳥類，它們擁有大展弦比翼面和較大面積的尾翼，以增大升阻比，減少能量消耗；體積較小的鳥類，擁有小展弦比翼面和剪刀狀尾翼，以提高氣動面的靈活性。

2 建立模型

2.1 羽毛建模

羽毛建模對海鷗翅翼的初級飛羽、次級飛羽和初級飛羽覆羽進(jìn)行測量，測量了海鷗翅翼的初級飛羽、次級飛羽和初級飛羽的羽干長度、內(nèi)羽片面積、外羽片面積，測量結(jié)果如表1所示。

表1中測的是靜態(tài)數(shù)據(jù)，在實際飛行中，鳥類姿態(tài)在不停地變化，羽毛的姿態(tài)也要變化，取靜態(tài)數(shù)據(jù)的平均值，從初級飛羽的羽干長度來看，前3根飛羽的羽干長度較大，這說明這3根飛羽構(gòu)成了翅翼的羽尖形狀。其它初級飛羽羽干長度較接近,外羽片面積是減少的，內(nèi)羽片面積也是減小的且內(nèi)羽片面積大于外羽片面積。而次級飛羽的羽干長度也比較接近，外羽片面積小于內(nèi)羽片面積。初級飛羽和次級飛羽排布，形狀決定了翅膀的形狀。但初級飛羽的內(nèi)外羽片面積存在較大差異，從外羽片面積，內(nèi)羽片面積后面6根飛羽也是較接近的。

表1 初級飛羽與次級飛羽的測量結(jié)果

注：A1代表羽干長度，mm；A2代表外羽片面積，mm2；A3代表內(nèi)羽片面積，mm2。

圖3 相鄰羽毛間的重疊

由表1可以看出，前3根初級羽毛的羽干比其他初級飛羽長，外羽片面積比其他初級飛羽大，內(nèi)羽片面積其他初級飛羽大。相鄰羽毛間的重疊如圖3所示，觀察羽毛可以發(fā)現(xiàn)第1根初級飛羽前緣比其它初級飛羽的前緣鋒利，且第1根初級飛羽的外羽片比較窄及具有不對稱性外羽片和內(nèi)羽片，造成這種結(jié)構(gòu)的原因有以下三方面：第一是羽毛外羽片面積比較小且都向斜上方生長，這樣的結(jié)構(gòu)使初級飛羽的迎風(fēng)面積大大減少了；第二是前3根初級飛羽具有像流線似的相同結(jié)構(gòu)，形成了海鷗翅膀的翼尖，這樣的結(jié)構(gòu)有利于提升飛行能力，降低飛行中的阻力；第三是前3根羽毛具有不對稱的初級飛羽和次級飛羽，在重疊區(qū)域內(nèi)形成了一部分通道如圖3所示。當(dāng)翅膀上下?lián)鋭訒r空氣會經(jīng)過縫隙穿過外羽片進(jìn)入重疊區(qū)域，而空氣不能穿過內(nèi)羽片，因此大量的空氣會沿著羽軸向后噴出，給羽軸一個向前的力，有利于鳥類飛行。

基于以上分析，取相關(guān)尺寸建立如圖4所示模型。

圖4 羽毛的模型

2.2 撲翼仿鳥羽毛型飛行器三維模型

撲翼仿鳥羽毛型飛行器越輕，越有可能在空中飛行，能量消耗越少，飛行時間越長.根據(jù)撲翼飛行器整體結(jié)構(gòu)尺寸，其質(zhì)量大約為500 g。m為飛行器的質(zhì)量，根據(jù)表2算得如下尺寸：

全翼展L=1.17m0.39=0.893

翼面積S=0.16m0.72=0.0971

雙翅拍打頻率f=3.87m-0.33=4.865

機(jī)翼弦比長b=S/L=0.1087

表2 鳥類身體質(zhì)量與其撲翼飛行參數(shù)的關(guān)系[13]

當(dāng)鳥類在空中飛行時，根據(jù)飛行狀態(tài)的不同，撲動頻率也不同，且在一定范圍內(nèi)變化[14]。不同體型的鳥類，撲動頻率有很大的不同，一般來說，體型越大的鳥，撲動頻率越低，體型越小，撲動頻率會越高[15]。

采用撲翼仿鳥羽毛型飛行器的整機(jī)模型如圖5所示。

圖5 撲翼仿鳥羽毛型飛行器

工作原理如圖6所示：

電機(jī)帶動齒輪1轉(zhuǎn)動，齒輪1與齒輪2嚙合，齒輪1帶動齒輪2轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)一級減速，齒輪2帶動相應(yīng)的軸轉(zhuǎn)動，軸帶動齒輪3轉(zhuǎn)動，齒輪3帶動齒輪4轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)二級減速，齒輪4帶動齒輪5轉(zhuǎn)動，齒輪5與齒輪6嚙合，由于齒輪5與齒輪6直徑大小完全相同，所以齒輪5與齒輪6等速傳動，齒輪5與齒輪6通過對應(yīng)的軸分別帶動各自的曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄帶動連桿運(yùn)動，連桿帶動相應(yīng)的搖桿上下?lián)鋭?羽毛在搖桿的帶動下，參與相應(yīng)的運(yùn)動。

圖6 機(jī)翼工作原理圖

3 羽毛CFD分析

3.1 羽毛CFD模擬計算

用SolidWorks建好模型，導(dǎo)入到DesignMolder中，用Meshing劃分網(wǎng)格如圖7所示，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，質(zhì)量較好，導(dǎo)入到Fluent中。由于機(jī)翼的撲動速度比較小，模型選擇SST k-omega模型，邊界條件：入口設(shè)置為速度入口，其他壁面設(shè)為壓力遠(yuǎn)場，本研究取流速為5 m/s，馬赫數(shù)為0.01471。

圖7 單根羽毛網(wǎng)格劃分

圖8所示的是單根羽毛的壓力云圖，從羽柄到羽軸，壓力逐漸增大，靠近羽柄的羽枝形成的流線型葉面壓力是比較大的，提供較大的升力，羽軸處的羽枝形成的流線型葉面壓力是比較小，提供較小的升力。

圖8 羽毛的壓力云圖

3.2 羽毛彎曲角度對羽毛氣動性能的影響

圖9所示的是羽毛彎角分別是1°,2°，3°，4°，5°，6°，羽毛速度云圖比較，羽毛彎曲時，伴隨著非常復(fù)雜非定?？諝饬鲃?，羽毛上下流線型葉面會形成速度差，且強(qiáng)度是先增大后減小。

3.3 羽毛彎曲過程升、阻力分析

在Fluent中監(jiān)測升力系數(shù)和阻力系數(shù)，流速為5 m/s 時，時間步長設(shè)定為0.01 s,計算320步，320次迭代后，羽毛的升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線如圖10和11所示。

由圖10和11可以看出，當(dāng)來流速度為4 m/s時，升力系數(shù)與阻力系數(shù)起始階段波動比較劇烈，但當(dāng)升阻力系數(shù)達(dá)到最大值或最小值時，會出現(xiàn)出現(xiàn)驟變，其后漸漸平緩。說明流速不大時，在起始階段，羽毛的升阻力會有較大波動。仿生撲翼飛行器是通過機(jī)翼的上下擺動帶動羽毛彎曲，從而產(chǎn)生升力，這對撲翼飛行器的升阻力有重要影響。

由圖12和13所示，分別顯示了升力，阻力隨羽毛彎角的變化，流速為5 m/s時，在一定羽毛彎角范圍內(nèi)，彎角為1, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°，升力是增大，阻力是先減小后增大。圖14顯示在羽毛彎角為2°時，升阻比達(dá)到最大。