个体间距对三维仿生拍动翼群推进性能的影响研究

【作者】 韩佳坤； 陈刚；

【机构】 西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室； 西安交通大学陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室；

【摘要】 随着航空技术与相关学科的快速发展,飞行器设计正在追求长航时、超机动性和低能耗等性能,这使得目前的飞行器越来越表现出轻结构、大柔性等特点。流固耦合效应在飞行器气动设计、动力学分析中起着越来越重要的作用,甚至成为关键的约束条件之一。然而,自然界中的鱼类、鸟类与昆虫等经过漫长自然进化,具备了现代飞行器、潜水器望尘莫及的游动飞行能力。对生物飞行机理的深入研究,使得人们开始探索主动利用生物学理念设计新概念飞行器。研究其运动机理可以为人类研发新型高效飞行器提供指导;同时也可以为研究生物形态适应性和进化问题提供合理的解释。对生物运动进行数值模拟具有测力简单,可重复性强,可方便探究参数对流场特性影响等优点。尤其是近年来随着计算机技术的飞速发展,对生物运动进行数值研究已然成为当前的热点。相比于传统的CFD方法,格子玻尔兹曼方法(LBM)与浸入边界法(IBM)其特有的并行特性特别适合求解仿生运动中涉及的柔性大变形问题。针对自然界中,飞鸟等生物成群结队运动的独特现象,本文基于浸入边界格子玻尔兹曼方法(IB-LBM)在我国天河2号超级计算机上对三维仿生拍动翼群进行数值模拟研究,从流体力学角度解释生物结群现象中蕴藏的非定常流动机理。主要研究了直线构型和菱形构型下,不同个体间距对于拍动翼群整体推进性能和涡系演化的影响,揭示了仿生翼型表面脱落的涡系结构之间互相作用的机理以及涡相互干涉的规律。数值结果表明:在特定的群游构型下独立个体之间的间距对于翼群整体的推进性能具有显著的影响,从流体力学的角度诠释了自然界中生物的结群现行。数值研究结果为仿生飞行器能量最省编队设计与队形控制提供了相应的理论支撑。更多还原