微型飞行器的仿生液体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗

摘要

用数值模拟方法研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率.基于流场结构,解释了非定常气动力产生的原因;基于气动力和力矩,得到需用功率.悬停飞行中揭示出的三个非定常高升力机制(不失速机制,拍动初期的快速加速运动,拍动后期的快速上仰运动)在前飞时仍然适用(即使在快速前飞时,V<,∞>=2-2.5米/秒,失速涡也不脱落).在低速飞行时(V<,∞>≈0.5米/秒)平衡重量的升力既来自于翅膀的下拍运动也来自于上挥运动,并主要由翅膀的升力贡献;克服身体阻力的推力主要来自于翅膀的上挥运动,由翅膀的阻力贡献.在中等速度下(V<,∞>≈1.0米/秒),升力主要来自于下拍运动,其中一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献;推力主要来自上挥运动,也是一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献.在快速飞行时(V<,∞>≈2.0米/秒),升力主要来自于下拍运动,主要由翅膀阻力贡献;推力来自上挥运动,主要由翅膀升力贡献.悬停时,下拍和上挥做功同样大;前飞时,下拍做功较上挥大得多:V<,∞>=0.5,1.0和2.0米/秒时,下拍做的功分别是上挥的1.6,2.6和3.5倍.果蝇在悬停飞行时,比功率(单位身体质量的需用功率)约为29瓦·千克<'-1>,在V<,∞>=0.5和1米/秒时,比功率比悬停时小约10﹪;在V<,∞>=1.5时,比功率与悬停时几乎相同;当速度再大时,比功率迅速增大.比功率随飞行速度的变化关系曲线近似于J形,而不像飞机的那样为U形曲线.