弹性拍翼悬停时的流固耦合效应

发布时间：2021-11-02 23:54

　　自然界中的昆虫和鸟类大都采用拍翼飞行的策略,其优越的气动表现使拍动飞行方式备受关注.值得注意的是,拍动飞行昆虫和鸟类在实现高机动性的同时,产生的噪音并不十分显著.因此,对拍翼飞行的流固声耦合问题进行研究,揭示其飞行动力学和声学特性,对于应用这类飞行技术具有重要的指导意义.文章采用一种浸入边界法对拍翼悬停时的流固声耦合问题进行数值模拟研究.具体针对刚性拍翼和不同刚度、质量比的柔性拍翼进行了数值模拟,分析了拍翼刚度和质量比对拍翼悬停时的升力和声学特性的影响.结果表明拍翼的转动能有效增加升力,提高效率并降低拍翼运动产生的声音;同时悬停拍翼的近场声受涡的影响明显,尤其是在较大的转动角度时;引入适当的弹性可有效提高拍翼在悬停时的气动表现,包括提高升力系数和效率;综合考虑气动和声学表现,可以看出当无量纲拍动频率在0.3～0.4时,低质量的拍翼（拍翼-流体质量比为1.0）产生的声音较小,同时又具备较高的效率. 

【文章来源】：气体物理. 2020,5(04)

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

拍翼拍动过程的示意图[4,12]

为提高计算效率, 流场采用拉伸网格, 如图2所示. 计算尺寸为125L×125L, 包含1个均匀网格区(总尺寸为4L×3L, 网格尺寸为L/40)用于流固耦合计算.该算法已经过大量的验证, 包括圆柱扰流问题, 丝线流固耦合问题, 激波作用下的弹性板变形问题以及微型无人飞行器的流固声耦合问题. 具体内容可参考文献[12,18,26], 这里不再对该算法进行验证.

表1给出了拍翼在不同转动幅值时的平均升力系数, 动力系数和效率. 结果显示, 随着αm的增大, 平均升力系数逐渐增大, 平均动力系数先减小后增大, 因此效率先增大后减小, 在αm= π/6时取得最大值, 这与文献[1]中前飞拍翼的结果一致. 综合图4中的声压结果可以看出, 当αm= π/3时拍翼效率最高且产生的噪音最小.图5 刚性拍翼的瞬时波动压力云图

【参考文献】：
期刊论文
[1]浸入边界法及其在可压缩流动中的应用和进展[J]. 王力,田方宝.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(09)



本文编号：3472624