類撲翼飛行器及其葉片流場特性研究

張玉華，代 強，周 進

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272000）

0 引 言

撲翼飛行器是模仿昆蟲或鳥類拍翅運動而設(shè)計的，它具有垂直起降、懸停、各向運動等功能。相對于固定翼和旋翼飛行器，撲翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低、效率高等諸多優(yōu)點。因此，撲翼飛行器在國防和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

撲翼飛行器主要是靠葉片拍動而產(chǎn)生升力，撲翼高效運動的實現(xiàn)是撲翼飛行器的難點。目前世界各國都投入了大量的人力、物力對撲翼飛行器進行研制。美國佐治亞理工學(xué)院和英國劍橋大學(xué)共同研制了靠往復(fù)化學(xué)肌肉驅(qū)動撲翼上、下拍動產(chǎn)生動力的微型撲翼飛行器Entomopter[1]，加州理工學(xué)院研制的“微型蝙蝠”撲翼飛行器[2]是利用鈦合金骨架蒙以聚合物薄膜構(gòu)成的機翼，多倫多大學(xué)的大型人工動力撲翼飛行器“雪鳥”采用翼尖具有一定柔性的機翼產(chǎn)生升力。國內(nèi)對撲翼飛行器的研究較晚，但也取得了很大的成果，南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等也研制了各種撲翼飛行器，其中南京航天航空大學(xué)研制的弧度型撲翼飛行器比直翼型撲翼飛行器提供的升力更大[3]。

無論是國外柔性機翼還是國內(nèi)弧度型機翼的撲翼飛行器，它們注重對動物肢體運動的單純模仿，需要專用的撲翼機構(gòu)將發(fā)動機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成撲翼的上、下擺動。為了簡化撲翼機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動控制，本研究采用半轉(zhuǎn)機構(gòu)[4]及內(nèi)凸輪嚙合傳動[5]設(shè)計一種新型的撲翼飛行器，其葉片做不對稱的“拍動”，稱為類撲翼飛行器；基于提出的類撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)組成，分析葉片運動原理，揭示該飛行器的升力特性和機動性控制機制；建立葉片流場的有限元分析模型，通過數(shù)值計算和仿真分析，探索葉片流場、葉片結(jié)構(gòu)和升力之間的變化規(guī)律，旨在為類撲翼飛行器的設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)組成與葉片運動原理

類撲翼飛行器由機體、中心軸、回轉(zhuǎn)架、葉片及銷齒輪、內(nèi)凸輪、錐齒輪及主傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[6]，三維模型圖如圖1 所示。

圖1 類撲翼飛行器三維模型圖

葉片及其軸端固連的銷齒輪支撐在回轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)臂兩端，銷齒輪與內(nèi)凸輪嚙合，構(gòu)成葉片運動的半轉(zhuǎn)機構(gòu)。同一側(cè)半轉(zhuǎn)機構(gòu)中兩葉片的相位差始終為90 °。當(dāng)回轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動時，葉片繞中心軸公轉(zhuǎn)的同時繞自身軸線進行自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)角速度為公轉(zhuǎn)角速度的1/2，且轉(zhuǎn)向方向相同。葉片的旋轉(zhuǎn)運動合成產(chǎn)生類似撲翼“拍動”的效果。

主動力通過錐齒輪嚙合傳遞給機體兩側(cè)的半轉(zhuǎn)機構(gòu)，產(chǎn)生大小相等、方向可變的升力。兩側(cè)半轉(zhuǎn)機構(gòu)共用一個動力系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向相反。這樣既能保證推進力方向一致，又能保證兩側(cè)半轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生的慣性力矩相互平衡。

內(nèi)凸輪、大齒輪和控制機構(gòu)等組成升力方向控制系統(tǒng)。機體兩側(cè)的控制機構(gòu)分別改變內(nèi)凸輪的初始位置，葉片產(chǎn)生的升力方向?qū)㈦S內(nèi)凸輪的轉(zhuǎn)角而實時變化。當(dāng)機體兩側(cè)的升力方向垂直向上時，可實現(xiàn)垂直升降；升力同時向前或向后偏轉(zhuǎn)可實現(xiàn)前后移動；升力異向偏轉(zhuǎn)可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。

2 葉片流場分析建模

葉片是類撲翼飛行器提供升力的主要部件，為了分析葉片升力的產(chǎn)生機制和變化規(guī)律，研究者需要對葉片周圍的流場環(huán)境進行建模，以獲得合理的葉片流場特性計算模型。

2.1 流場計算區(qū)域的確定

類撲翼飛行器有兩組對稱于機體的半轉(zhuǎn)機構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)完全相同，機體兩側(cè)葉片布置相位差為90 °。當(dāng)葉片同步轉(zhuǎn)動時，機體兩側(cè)葉片產(chǎn)生的主升力矢量是相同的，不妨以機體一側(cè)的運動雙葉片為建模對象。考慮到葉片的軸向長度大于徑向尺寸，葉片軸端的流體對葉片升力的影響較小，為了簡化計算，筆者將葉片的流場分析模型簡化為平面模型[7]。根據(jù)對半轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動分析，葉片在公轉(zhuǎn)一周的過程中，葉片自轉(zhuǎn)半周。葉片周圍的流體隨著雙葉片的位置和各點的速度變化產(chǎn)生復(fù)雜的流動。

為了模擬不同區(qū)域的流體運動，本研究將雙葉片及其周圍環(huán)境劃分為4 個區(qū)域，雙葉片流暢區(qū)域與有限元網(wǎng)格如圖2 所示。圖中，outer 為外部環(huán)境，該區(qū)域半徑在保證不影響域流場特性情況下，盡量選用較小半徑，以減少計算量。mid 為葉片的公轉(zhuǎn)區(qū)域，In1 和In2 分別為兩個葉片的自轉(zhuǎn)區(qū)域。為了較為準(zhǔn)確地模擬區(qū)域內(nèi)流體的流動，兩個自轉(zhuǎn)區(qū)域半徑分別比葉片的寬度稍大一些，并且保證兩區(qū)域間留有間隙，mid 區(qū)域要將兩自轉(zhuǎn)區(qū)域包含在內(nèi)，并留有間隙。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

由于葉片與流體的接觸邊界是曲線，網(wǎng)格類型采用平面三角形網(wǎng)格，有利于提高計算的速度和精度并保證網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的規(guī)則性?？紤]葉片在靜止的流場中開始運動，由于兩個葉片的相互作用，自轉(zhuǎn)區(qū)域和公轉(zhuǎn)區(qū)域的流場變化較大，而outer 區(qū)域的相對較小?？紤]到葉片邊緣的厚度較小，In1 和In2 區(qū)域的網(wǎng)格大?。╥nterval size）設(shè)置為1，mid 區(qū)域和outer 區(qū)域的網(wǎng)格分別為2 和3，如圖2 所示。

圖2 雙葉片流場區(qū)域與有限元網(wǎng)格

假設(shè)葉片在流體運動中變形較小，不考慮流固耦合的影響，本研究分別將兩個葉片的所有邊指定為wall；將自轉(zhuǎn)區(qū)域與mid 區(qū)域，mid 區(qū)域與outer 區(qū)域的接觸邊分別定義接觸類型為interface；并將In1、In2、mid 以及outer 區(qū)域介質(zhì)設(shè)置為fluid。

本研究在Fluent 軟件[8]中根據(jù)葉片的運動設(shè)置上述各區(qū)域的邊界條件，設(shè)置In1 和In2 區(qū)域繞各自中心自轉(zhuǎn)并相對于mid 區(qū)域公轉(zhuǎn)，且自轉(zhuǎn)角速度為公轉(zhuǎn)角速度的1/2 且方向相反；對葉片wall 設(shè)置為相對于各自的自轉(zhuǎn)區(qū)域自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)角速度為零。mid 區(qū)域設(shè)置為繞該區(qū)域的中心轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與自轉(zhuǎn)區(qū)域的公轉(zhuǎn)速度相等；outer 區(qū)域設(shè)置為靜止。

2.3 計算模型

在計算區(qū)域，葉片的公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)使得流體作不規(guī)則運動。在葉片轉(zhuǎn)動過程中，流體速度會隨著葉片轉(zhuǎn)角的改變而改變，每一時刻的速度和加速度有所不同。因此，在模擬分析葉片流場特性時，本研究采用Fluent 的瞬態(tài)湍流計算模型[9-10]。

3 葉片流場特性計算與分析

設(shè)葉片公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為-100 r/min，兩葉片自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為50 r/min。計算時，時間步長設(shè)為0.01 s，步數(shù)為60步，使葉片公轉(zhuǎn)一周，完成一個運動周期的流場特性計算。葉片從左側(cè)垂直位置順時針公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)過程中葉片繞自身軸線逆時針自轉(zhuǎn)。

為了研究葉片流場特性，本研究計算了3 種不同機構(gòu)參數(shù)的葉片在一個周期內(nèi)的流場變化規(guī)律。

機構(gòu)參數(shù)如表1 所示。通過分析可得到較為合理的葉片尺寸及布置關(guān)系。

表1 3 種機構(gòu)參數(shù)

3.1 葉片周圍速度矢量分布

葉片轉(zhuǎn)動0 °、45 °、90 °、135 °時周圍流場的速度矢量分布圖如圖3 所示。

圖3 不同葉片方位的流場速度矢量分布

由圖3 可知，流場中沿葉片壁面分布的速度矢量與葉片公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的合速度方向一致。0 °時葉片壁面兩側(cè)速度矢量均勻向上，外側(cè)速度矢量較小且有分布不均；45 °時，在葉片邊緣處出現(xiàn)少量的速度矢量渦旋現(xiàn)象；當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到90 °時，在葉片兩端邊緣處，速度矢量存在較大渦旋現(xiàn)象，此時升力最大；135 °時，速度矢量沿葉片壁面斜向上，且分布較為均勻。葉片公轉(zhuǎn)一周回到初始位置，在一個運動周期中，不同位置的葉片周圍存在不同的流場速度矢量分布。

3.2 葉片周圍的壓力分布

機構(gòu)Ⅰ中葉片在不同狀態(tài)下的流場壓力分布曲線如圖4 所示。

圖4 葉片不同狀態(tài)下流場壓力分布曲線

葉片在0 °和90 °時的壓力分布曲線如圖4（a）所示，由圖可知，水平葉片上部Ⅰ區(qū)域為負壓，且葉片上表面壓強值由葉片左端到右端遞增；葉片下側(cè)Ⅱ區(qū)域為正壓，葉片下表面壓強由葉片左側(cè)到右側(cè)也逐漸遞增。垂直葉片兩側(cè)區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ上部為負壓，下部為正壓，葉片上部兩側(cè)壓強差較小，而下部兩側(cè)的壓強差較大。

葉片在45 °和135 °時的壓力分布曲線如圖4（b）所示，由圖可知，Ⅰ區(qū)域、Ⅱ區(qū)域和Ⅲ區(qū)域均為正壓。壓力值在Ⅰ區(qū)域和Ⅱ區(qū)域較大，Ⅲ區(qū)域壓力值較小，Ⅳ區(qū)域為負壓。壓力總體分布從葉片外側(cè)邊緣向兩葉片中心處遞減，上葉片下半部下表面壓力分布幾乎與下葉片下半部上表面的相同。因此，雙葉片在運動中存在很強的相互影響。

3.3 不同機構(gòu)參數(shù)對升力的影響

在類撲翼飛行器葉片轉(zhuǎn)動過程中，葉片表面的分布壓力可合成為定向升力或推力，根據(jù)流體動力學(xué)理論，其大小與升力系數(shù)CL成正比。當(dāng)葉片的結(jié)構(gòu)尺寸和轉(zhuǎn)速相同時，升力系數(shù)CL的變化規(guī)律反映了葉片在不同位置時升力變化。

因此，本研究給定相同的轉(zhuǎn)速，對3 種不同機構(gòu)的葉片流場特性進行仿真計算，輸出其中左側(cè)葉片在轉(zhuǎn)動一周的過程中升力系數(shù)變化曲線，3 種機構(gòu)參數(shù)的升力系數(shù)曲線如圖5 所示。

圖5 3 種機構(gòu)參數(shù)的升力系數(shù)曲線

對比圖5 中3 種機構(gòu)參數(shù)的葉片升力系數(shù)曲線可知，葉片在公轉(zhuǎn)一周的過程中，升力最大值出現(xiàn)在0.3 s即葉片轉(zhuǎn)動到水平位置，且前半周的升力系數(shù)明顯大于后半周的。

機構(gòu)Ⅰ的升力系數(shù)最大值為0.72，機構(gòu)Ⅱ升力系數(shù)最大值為0.5，機構(gòu)Ⅲ升力系數(shù)最大值為0.9。由圖5中曲線a 和b 可知，相同中心距下增大葉片尺寸，顯然通過增加迎流面積能夠有效地增加升力。分析曲線a和c 可知，在葉片尺寸不變的情況下，適當(dāng)增加兩葉片中心距，顯然增加葉片公轉(zhuǎn)的線速度也能使升力系數(shù)得到顯著增加。計算結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)卦黾尤~片尺寸和兩葉片之間的中心距能夠有效地提高推進器的升力，這與理論分析結(jié)果是一致的[11]。

4 結(jié)束語

本研究提出了一種新型類撲翼飛行器，其結(jié)構(gòu)組成簡單、主傳動機構(gòu)效率高、升力方向控制靈敏?；贔LUENT，筆者建立了雙葉片運動的流場特性有限元模型，分析確定了計算區(qū)域、邊界條件及計算模型，對3 種不同機構(gòu)參數(shù)的葉片運動流場特性進行了仿真計算與分析，獲得了葉片運動流場的速度矢量和葉片表面壓力分布變化規(guī)律以及升力系數(shù)變化規(guī)律。

研究結(jié)果表明：在一個運動周期中雙葉片周圍的流場速度矢量、壓力分布和升力系數(shù)是隨葉片方位變化的，兩個葉片之間存在很強的相互影響；前半周的葉片升力系數(shù)大于后半周的升力系數(shù)；通過增加葉片大小和兩葉片的中心距可有效提高升力系數(shù)。

該研究對于指導(dǎo)修正類撲翼飛行器的升力計算數(shù)學(xué)模型具有重要的指導(dǎo)意義。

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