撲翼飛行器平面形狀對氣動力的影響研究

張小俊, 胡淑玲

(西安交通大學 航天航空學院, 陜西 西安 710049)

撲翼飛行器平面形狀對氣動力的影響研究

張小俊, 胡淑玲

(西安交通大學 航天航空學院, 陜西 西安 710049)

為了了解撲翼飛行器在撲動過程中的氣動力,采用非定常渦格法模擬撲動過程中的氣動力計算,得到了剛性撲翼在撲動周期內氣動力的變化及尾渦的形態(tài)。在此基礎上,研究了撲翼的周期平均氣動力隨撲動頻率、幅度、迎角及來流速度的變化關系,并進一步研究了不同的機翼平面形狀對氣動力的影響。計算結果表明,迎角和撲動頻率的增大能夠增加撲翼的升力,不同翼面形狀的撲翼在升力特性及推力特性方面具有不同的優(yōu)勢。

撲翼飛行器; 非定常渦格法; 機翼平面形狀; 平均氣動力

force

0 引言

微型撲翼飛行器因具有靈活性、能同時產(chǎn)生升力、推力以及效率方面的優(yōu)勢,不斷地吸引著人們的注意,在環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵查及通信中繼等領域的應用前景廣闊,而實現(xiàn)可控的撲動飛行更是人們自古以來的愿望。對微型撲翼飛行器進行設計的前提是掌握撲翼氣動力的變化規(guī)律以及確定撲翼本身的平面形狀。目前,國內的一些高校已經(jīng)對撲翼機的氣動力開展了一些研究[1-3]。

本文針對撲翼流場的非定常特征,根據(jù)非定常渦格法[4]編制了適用于快速求解撲翼飛行器機翼氣動力的Fortran程序。應用該程序求得了剛性撲翼在撲動周期內氣動力以及撲翼在不同撲動頻率、幅度、迎角及流速時的平均氣動力。在此基礎上,研究了不同的翼面形狀對撲翼氣動力的影響,研究時保持各個不同形狀的翼面具有相同的面積及展弦比,具體采用文獻[5]中的部分形狀及對其中一個的變化。對不同形狀撲翼在不同運動參數(shù)下的氣動力進行了比較,確定了氣動特性較好的幾個撲翼形狀。本文研究結果對撲翼飛行器的設計及優(yōu)化具有一定的參考價值。

1 非定常渦格法簡介

渦格法采用在翼面上合適位置分布渦環(huán)的方法來模擬翼面及尾渦,根據(jù)邊界條件及離散化的控制方程求解流場的速勢方程,進而求得翼面附近流場速度及機翼所受氣動力。而非定常渦格法在每個時間步采用上述方法求解一次速勢方程,采用機翼尾緣處渦環(huán)的脫落模擬尾渦的脫落,能夠求解機翼在非定常運動時所受的氣動力。非定常渦格法翼面、尾渦環(huán)見文獻[1]。

除物面及尾渦外,流體視為無粘無旋的,其控制方程為:

2Φ*=0

(1)

式中:Φ*為流場中某處總的勢函數(shù),Φ*=Φ+Φ∞;Φ為翼面及尾渦上分布的渦環(huán)產(chǎn)生的擾動量。

需滿足兩種邊界條件:

(1)物面邊界條件,即無穿透邊界條件:

(Φ+v)·n=0

(2)

其中:

v=-vsurface=-[V0+vref+Ω×r]

式(2)表明分布的渦環(huán)所誘導的速度與物面相對空氣運動速度之和在物面法向的分量為0。

(2)遠場邊界條件,即無窮遠處的擾動為零:

(3)

在機翼后緣還需滿足Kutta后緣條件,渦格法的Kutta后緣條件形式為:

-Γup+Γlow+Γwake=0

(4)

式中:Γup和Γlow為上下翼面渦環(huán)環(huán)量;Γwake為尾緣處尾渦的環(huán)量。

此外,機翼后緣在每個時間步將有一尾渦環(huán)脫落(見圖1),脫落的尾渦與翼面上同一弦向的渦環(huán)環(huán)量滿足Kelvin定律,即某時刻從后緣脫落的尾渦的環(huán)量等于翼面上渦環(huán)環(huán)量隨時間的變化:

Γ(t)-Γ(t-Δt)+Γwt=0

(5)

其中:

用渦環(huán)模型代表翼面及尾渦將使得流場中的勢函數(shù)自動滿足控制方程及遠場邊界條件,對物面邊界條件離散化,提取出渦環(huán)間的影響系數(shù),將使問題變?yōu)樵诿總€時間步求解一次線性方程組,這樣可求得翼面及尾渦的渦環(huán)量分布,進而,根據(jù)非定常伯努利方程

可以求得翼面所受法向力,用壓力系數(shù)可表示為:

(6)

對于剛性翼,vref=-[V0+Ω×r]。將此力沿來流方向及垂直來流向上方向分解即可得機翼所受阻力與升力。

2 撲動飛行算例驗證

剛性撲動模型的運動包括前飛及同時伴有的撲動和俯仰運動。前飛速度確定了來流的速度,對于另外兩個自由度的運動,本文不考慮俯仰運動,只保留撲動這一自由度的運動,撲動規(guī)律也為簡單正弦撲動,其俯仰和撲動自由度的運動方程如下:

(7)

算例中:初始迎角α0=5°;初始撲動角β0=0°;撲動角幅度βmax=45°;撲動相位差φβ=0°;撲動角速度ω則隨撲動頻率f變化。

算例撲翼形狀采用文獻[2]的形狀A,翼面總面積為185.14 cm2,半展長15 cm。與文獻中試驗運動機構需安裝在機身上不同的是:本文不考慮其機身部分,僅計算其翼面部分撲動產(chǎn)生的氣動力。在來流速度VT=5 m/s,迎角α=5°,撲動角頻率f=8 Hz條件下,撲翼按照如上運動規(guī)律在一個撲動周期內產(chǎn)生的尾渦的形態(tài)如圖1所示。

圖1 一個周期內撲翼及尾渦位置示意圖Fig.1 Positions of flapping wing and wake vortex in one period of flapping

尾渦能反映撲翼在各個時間的受力情況,目前對撲翼飛行中尾渦的可視化試驗并不多。將計算的尾渦結果與文獻[4]試驗拍得的類似形狀撲翼尾渦形態(tài)進行比較,兩者具有一定的一致性,表明該方法能計算撲翼所受氣動力。而撲翼在一個撲動周期內的升力系數(shù)和推力系數(shù)如圖2、圖3所示。

圖2 一個撲動周期內升力系數(shù)的變化Fig.2 Variation of lift coefficient in one period of flapping

圖3 一個撲動周期內推力系數(shù)的變化Fig.3 Variation of thrust coefficient in one period of flapping

由圖2和圖3可見,升力在撲動周期內有一正峰值與負峰值,其周期平均值與迎角有關;推力在撲動周期內則有兩個峰值。

3 不同平面形狀撲翼氣動特性

3.1 撲翼的平面形狀

撲翼平面采用文獻[2]中的A,B,C,D,E,F翼面形狀,以及將形狀A沿弦向反轉后得到的一個形狀,面積和展長分別為185.14 cm2和15 cm,排序后如圖4所示。其中,形狀A前緣平直、后緣接近橢圓曲線的形狀常被用作撲翼機翼面形狀。為了加強翼面剛度同時保持翼面柔性,常常會在翼面合適角度布置一根加強桿;形狀D則類似昆蟲翅膀的形狀,具有較為圓潤的前后緣。幾個形狀的差別體現(xiàn)在:前后緣的形狀不同;翼面前后、內外側面積分布不同。

圖4 六種平面形狀示意圖Fig.4 Six shapes of wing plane

3.2 撲翼氣動力隨撲動頻率的變化

保持來流速度VT=5 m/s、撲動角幅度βmax=45°及迎角α=5°,在撲動頻率變化時,上述形狀的撲翼升力系數(shù)和推力系數(shù)如圖5、圖6所示。

圖5 撲翼升力系數(shù)隨頻率的變化曲線Fig.5 Curve of lift coefficient with frequency

圖6 撲翼推力系數(shù)隨頻率的變化曲線Fig.6 Curve of the thrust coefficient with frequency

由圖5可見,在其他條件相同時,撲翼平均升力系數(shù)在一定頻率范圍內隨撲動頻率的增加而增加。不同形狀撲翼升力特性排列順序為:E>C>A>D>B>F,其中前三者(E,C,A)的升力特性差別并不大,而形狀F的升力特性最差。

由圖6可見,在其他條件相同時,撲翼平均推力系數(shù)在一定頻率范圍內也隨撲動頻率的增加而增加。不同形狀撲翼推力特性大致為:F>D≥A>B>C>E,而形狀F的推力特性明顯高于其他形狀撲翼,形狀E的推力特性最差。

3.3 撲翼氣動力隨撲動角幅度的變化

保持來流速度VT=5 m/s、撲動頻率f=8 Hz及迎角α=5°,在撲動角幅度βmax變化時,上述形狀的撲翼升力系數(shù)和推力系數(shù)如圖7、圖8所示。

圖7 撲翼升力系數(shù)隨撲動角幅度的變化曲線Fig.7 Curve of the lift characteristics with βmax

圖8 撲翼推力系數(shù)隨撲動角幅度的變化曲線Fig.8 Curve of the thrust characteristics with βmax

由圖7可見,對于多數(shù)撲翼形狀(A,B,C,E),撲動角的增加對升力影響不大;對于D,F形狀的撲翼,撲動角的增加會導致升力的一定下降;不同形狀的撲翼在不同的βmax下的升力特性表現(xiàn)并不相同?？偟膩砜?形狀A,C,E的撲翼升力特性較好。

由圖8可見,撲動角幅度的增加將導致?lián)湟硗屏Φ脑黾?。撲翼推力特性排序?F>D≥A> B>C>E,推力特性表現(xiàn)與頻率變化時相同。

3.4 撲翼氣動力隨迎角的變化

保持來流速度VT=5 m/s、撲動頻率f=8 Hz及撲動角幅度βmax=45°,在迎角α從0°至18°變化時,上述形狀的平撲翼升力系數(shù)和推力系數(shù)如圖9、圖10所示。

圖9 撲翼升力系數(shù)隨迎角的變化曲線Fig.9 Curve of the lift characteristics with AOA

圖10 撲翼推力系數(shù)隨迎角的變化曲線Fig.10 Curve of the thrust characteristics with AOA

由圖9可見,迎角的增大將顯著提高撲翼的升力特性。與頻率及撲動角幅度變化相比,在飛行速度相同的情況下,迎角是影響撲翼升力的主要因素。不同形狀的撲翼升力特性排序為:E>C>A> D>B>F,其中前三者(E,C,A)差距并不大,形狀F的升力特性仍然是最差的。

由圖10可見,迎角的增大將導致?lián)湟硗屏σ欢ǔ潭鹊慕档?。不同形狀撲翼的推力特性排序?F>D>A>B>C>E,其中形狀F的推力特性仍明顯高于其他形狀撲翼,而形狀E的推力特性仍是最差的。

3.5 撲翼氣動力隨流速的變化

保持迎角α=5°、撲動頻率f=8 Hz及撲動角幅度βmax=45°,在來流速度VT從5 m/s至10 m/s變化時,撲翼升力系數(shù)和推力系數(shù)如圖11、圖12所示。

圖11 撲翼升力系數(shù)隨流速的變化曲線Fig.11 Curve of the lift characteristics with velocity

圖12 撲翼推力系數(shù)隨流速的變化曲線Fig.12 Curve of the thrust characteristics with velocity

由圖11可見,其他條件相同時,流速的增大將導致?lián)湟淼纳ο禂?shù)一定程度的降低,不過升力系數(shù)隨流速增大將逐漸趨于一個穩(wěn)定的值,可見撲翼的實際升力將隨流速的增大而增大。撲翼升力特性排序為:E>A>C>D>F>B,其中前三者(E,A,C)差距并不大,此時形狀B的升力特性最差。

由圖12可見,其他條件相同時,流速的增大將導致?lián)湟硗屏ο禂?shù)的降低。撲翼推力特性排序為:F>D>A>B>C>E。

3.6 綜合比較

綜上所述,不同撲翼形狀的特性為:形狀E的升力特性最好但推力特性最差;形狀F與之相反;形狀A的升力特性及推力特性都排在第三,綜合性能較好;形狀B的升力特性及推力特性都排在后三位內,綜合性能不佳;而形狀C和D分別在升力特性及推力特性方面有一定優(yōu)勢,其中形狀D的兩種特性基本上都排在前四個以內,故綜合性能好于C。綜合性能較好的形狀排序為:A>D>C,所以形狀A這種前緣平直而后緣近似橢圓的類似鳥翼的平面形狀成為眾多撲翼機選用的形狀,形狀D這種類似昆蟲翅膀的形狀在氣動特性方面也具有一定優(yōu)勢。

4 結論

(1)在撲動頻率、撲動角幅度、迎角及流速這幾個撲翼的運動參數(shù)中,對撲翼升力系數(shù)增加起決定作用的是迎角,而撲動頻率的增大也能在一定程度上增大撲翼的升力系數(shù)。

(2)撲動頻率及撲動角幅度的增加都能增大撲翼的推力,而增大迎角將使撲翼推力有一定程度的減小。

(3)來流速度的增加將使得撲翼的升力系數(shù)及推力系數(shù)同時下降,并使升力系數(shù)漸趨于一個穩(wěn)定值,撲翼實際的升力將隨來流速度的增加而增加。

(4)機翼的平面形狀對于撲翼氣動特性的影響是可觀的。不同翼面形狀的撲翼在升力特性及推力特性方面具有不同的優(yōu)勢。從翼根到翼尖以及從前緣到后緣過于劇烈的形狀變化不利于產(chǎn)生好的綜合氣動特性,類似鳥翼及昆蟲翅膀的形狀(A和D)則具有較好的綜合氣動特性。

[1] 余春錦.柔性撲翼微型飛行器的氣動特性研究[D].南京:南京航空航天大學,2008.

[2] 肖天航,段文博,昂海松.仿鳥柔性撲翼氣動特性與能耗的數(shù)值研究[J].空氣動力學學報,2011,29(6):709-718.

[3] 楊淑利,宋文萍,宋筆鋒,等.微型撲翼飛行器機翼氣動特性研究[J].西北工業(yè)大學學報,2006,24(6):768-773.

[4] 曾銳.仿鳥微型撲翼飛行器的氣動特性研究[D].南京:南京航空航天大學,2004.

[5] Malolan V,Dineshkumar M,Dr Baskar V.Design and development of flapping wing micro air vehicle [R].AIAA-2004-40,2004.

(編輯：李怡)

Influence of wing shape on the aerodynamic characteristics of flapping-wing vehicle

ZHANG Xiao-jun, HU Shu-ling

(School of Aerospace, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To know the aerodynamic force of flapping-wing vehicle during the flight, aerodynamic force calculation was simulated by using the unsteady vortex lattice method. The aerodynamic force’s change and the wake’s shape of some flapping wings were obtained. Then, the change of the average aerodynamic force with some parameters was analyzed, such as flapping frequency, flapping angle range, AOA and the inflow speed. Furthermore, the influence of different shapes of flapping wings on the aerodynamic force was analyzed. The results show that the increase of the AOA and flapping frequency could contribute to the increase of average lift. The shape of wing has an influence on the lift and thrust.

flapping-wing vehicle; unsteady vortex-lattice method; wing shape; average aerodynamic

2014-05-29;

2014-09-22;

時間:2014-11-04 08:28

張小俊(1990-)，男，江蘇揚州人，碩士研究生，研究方向為撲翼飛行器氣動特性; 胡淑玲(1971-)，女，陜西西安人，副教授，博士生導師，研究方向為計算流體力學。

V211.3

A

1002-0853(2015)01-0017-04