仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼Weis-Fogh效應(yīng)及升力仿真

王孝義，張玉華，邵春陽(yáng)，邱支振

(安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼Weis-Fogh效應(yīng)及升力仿真

王孝義，張玉華，邵春陽(yáng)，邱支振

(安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

組合半轉(zhuǎn)翼是一種新型的動(dòng)力翼，在仿生飛行中具有重要的應(yīng)用前景。提出一種仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型，導(dǎo)出該模型參數(shù)的計(jì)算公式并給出減小兩翼工作間隙的方法；基于FLUENT軟件建立仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，對(duì)仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，揭示仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型的Weis-Fogh效應(yīng)特征，獲得仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼升力的變化規(guī)律。研究表明：在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，半轉(zhuǎn)翼流場(chǎng)中速度矢量和壓力分布始終受Weis-Fogh效應(yīng)的影響，致使組合半轉(zhuǎn)翼的升力大大提高；計(jì)算實(shí)例中，計(jì)算模型的最大升力可提高30.5%。研究結(jié)果對(duì)仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼升力形成機(jī)制的闡釋和不同參數(shù)半轉(zhuǎn)翼升力的估算具有重要參考價(jià)值。

仿生飛行器；組合半轉(zhuǎn)翼；Weis-Fogh效應(yīng)；數(shù)值仿真

組合半轉(zhuǎn)翼是仿生飛行研究中發(fā)現(xiàn)的一種新型動(dòng)力翼，不同于現(xiàn)有的仿鳥撲翼[1-2]，它們?cè)诹黧w中的對(duì)稱運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生大小和方向易于控制的推力，因而在仿生飛行中具有重要的應(yīng)用前景。兩個(gè)獨(dú)立的半轉(zhuǎn)翼對(duì)稱布置在基體的兩側(cè)形成仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼，半轉(zhuǎn)翼的運(yùn)動(dòng)不同于鳥翅的拍動(dòng)，其采用與轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)形式相適應(yīng)的半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[3-4]來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)代替拍動(dòng)。Weis-Fogh效應(yīng)是一種能夠高效產(chǎn)生升力或推力的昆蟲飛行機(jī)制，昆蟲翅的“急張”和“相拍”(Clap and Fling)是Weis-Fogh效應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征[5]，仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼運(yùn)動(dòng)也具有“急張”和“相拍”的運(yùn)動(dòng)特征。因此，仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼的Weis-Fogh效應(yīng)研究對(duì)于揭示半轉(zhuǎn)翼運(yùn)動(dòng)與流體作用機(jī)制、流場(chǎng)特性和提高半轉(zhuǎn)翼的升力，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

撲翼和半轉(zhuǎn)翼在流體中運(yùn)動(dòng)，影響其產(chǎn)生升力或推力的因素較多，其中運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和周圍環(huán)境變化的影響較大。因此，基于假設(shè)的理論計(jì)算公式存在明顯的誤差，難以滿足設(shè)計(jì)要求?；诹黧w動(dòng)力學(xué)理論的數(shù)值仿真方法是分析復(fù)雜流場(chǎng)特性的有效方法。文獻(xiàn)[6]針對(duì)海龜翼在黏性介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，結(jié)合撲翼運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立撲翼推進(jìn)數(shù)值計(jì)算模型，模擬海龜二維剖面翼以特定規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體動(dòng)力特性，得出撲翼推進(jìn)力與擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅度及來流速度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]建立了仿生撲翼無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)的流體動(dòng)力計(jì)算數(shù)學(xué)模型，基于FLUENT軟件對(duì)UUV的流體動(dòng)力特性進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得仿生撲翼UUV的流體動(dòng)力在小攻角下和大攻角下的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[8]建立了撲翼簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)有限體積法和非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，完成了對(duì)撲翼運(yùn)動(dòng)的非定常建模研究，撲翼運(yùn)動(dòng)過程中伴隨著渦的生成和脫離，尾渦能有效提高撲翼產(chǎn)生的推力，前沿渦能抑制推力的產(chǎn)生和延緩升力的下降。

文獻(xiàn)[9]建立了兩個(gè)相位差為90°的半轉(zhuǎn)翼流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算模型，為類撲翼飛行器的升力計(jì)算提供了可行方法，但其沒有考慮Weis-Fogh效應(yīng)的影響。為更全面地研究組合半轉(zhuǎn)翼的Weis-Fogh效應(yīng)，針對(duì)仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型，探討模型參數(shù)之間的關(guān)系，基于FLUENT軟件建立仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼計(jì)算模型，對(duì)半轉(zhuǎn)翼的運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)進(jìn)行Weis-Fogh效應(yīng)的仿真分析，探索半轉(zhuǎn)翼流場(chǎng)特性的變化規(guī)律。

1 仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型

昆蟲翅的Weis-Fogh效應(yīng)是由昆蟲翅的運(yùn)動(dòng)存在“急張”和“相拍”現(xiàn)象而產(chǎn)生的。半轉(zhuǎn)翼的組合也能產(chǎn)生類似現(xiàn)象[10-11]，如圖1所示，在O1O2上方兩葉片從平行狀態(tài)開始展開形成“急張”，在O1O2下方兩翼片逐漸靠攏形成“相拍”?？紤]半轉(zhuǎn)翼為矩形平板（2a×b)，曲柄半徑為R，曲柄一端與半轉(zhuǎn)翼的對(duì)稱中心C鉸接，2個(gè)半轉(zhuǎn)翼對(duì)稱于y軸，左曲柄繞固定點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而右曲柄繞固定點(diǎn)O2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)O1和O2分別偏離坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離為e。

圖1 仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型Fig.1 Model of combined half-rotating wing

當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角θ為0時(shí)，半轉(zhuǎn)翼位于x軸上。當(dāng)曲柄以轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，半轉(zhuǎn)翼的轉(zhuǎn)向與對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)向相同，轉(zhuǎn)速保持為ω/2。因此，半轉(zhuǎn)翼在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)1周的過程中，2個(gè)半轉(zhuǎn)翼快速接近產(chǎn)生“相拍”，而相互離開時(shí)形成“急張”。當(dāng)θ=π時(shí)，半轉(zhuǎn)翼平行于y軸，此時(shí)為半轉(zhuǎn)翼“相拍”和“急張”的分界點(diǎn)。由于半轉(zhuǎn)翼運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)且速度沒有突變，因而半轉(zhuǎn)翼在分界點(diǎn)前后的運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生慣性沖擊，這是區(qū)別于撲翼的重要特征。設(shè)2個(gè)半轉(zhuǎn)翼相互平行時(shí)距離為半轉(zhuǎn)翼的工作間隙，用2Δ表示。

研究表明[10]，工作間隙2Δ與半轉(zhuǎn)翼的Weis-Fogh效應(yīng)的效果密切相關(guān)。為了防止半轉(zhuǎn)翼之間接觸，半轉(zhuǎn)翼的工作間隙2Δ應(yīng)滿足

其中[Δ]為許用工作間隙，根據(jù)半轉(zhuǎn)翼外緣A或B點(diǎn)軌跡在x方向的最小值可求得

顯然，許用工作間隙[Δ]決定于曲柄半徑R和半轉(zhuǎn)翼的半寬a，與半寬a的平方成正比而與曲柄半徑R成反比。當(dāng)a=R時(shí)，[Δ]=0.25R;當(dāng)a=2R時(shí)，[Δ]=R。因此，相同的曲柄半徑時(shí)，較小的半寬a可獲得較小的工作間隙。

2 半轉(zhuǎn)翼流場(chǎng)分析建模

為了分析半轉(zhuǎn)翼的Weis-Fogh效應(yīng)對(duì)半轉(zhuǎn)翼升力的影響，對(duì)半轉(zhuǎn)翼周圍流場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行建模，獲得合理的半轉(zhuǎn)翼流場(chǎng)特性計(jì)算模型。

2.1 流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域的確定

根據(jù)仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型，曲柄和半轉(zhuǎn)翼同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者的速比保持為2，流體在半轉(zhuǎn)翼的作用下產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)，流體對(duì)半轉(zhuǎn)翼的升力是流體動(dòng)力在y方向的分力。以坐標(biāo)原點(diǎn)O為中心的半轉(zhuǎn)翼和流體為建模對(duì)象，流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域設(shè)為矩形區(qū)?？紤]到邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，x方向的矩形區(qū)邊長(zhǎng)更長(zhǎng)。

2.2 網(wǎng)格設(shè)置及邊界條件

網(wǎng)格類型采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（Elements: Tri,Type:Pave)，網(wǎng)格大小和形狀能隨半轉(zhuǎn)翼的運(yùn)動(dòng)而變化，滿足了流場(chǎng)分布變化的要求，同時(shí)利用動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算求解流場(chǎng)N-S方程存在的“動(dòng)邊界”問題。半轉(zhuǎn)翼的邊界運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)（如圖1所示），由繞C點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)和隨C點(diǎn)的平移疊加而成。C點(diǎn)的移動(dòng)速度為(vx，vy)

半轉(zhuǎn)翼繞C點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為ω/2。采用UDF程序中的DEFINE_CG_MOTION函數(shù)描述半轉(zhuǎn)翼邊界，實(shí)現(xiàn)“動(dòng)邊界”的設(shè)置。為防止出現(xiàn)網(wǎng)格破損或者負(fù)體積網(wǎng)格，用局部重構(gòu)法生成新的網(wǎng)格，以保證分析時(shí)能始終獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格尺度。在Gambit中建模并生成網(wǎng)格(如圖2)，共有18 940個(gè)結(jié)點(diǎn)，37 366個(gè)控制體。最小控制體積3.210 228e-6，最大控制體積2.301 887e-4。

圖2 流場(chǎng)區(qū)域與網(wǎng)格Fig.2 Region and grid of flow field

2.3 計(jì)算模型

在計(jì)算區(qū)域，半轉(zhuǎn)翼的運(yùn)動(dòng)使流體作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，流體的速度會(huì)隨半轉(zhuǎn)翼轉(zhuǎn)角的改變而變化，每一時(shí)刻的速度和加速度有所不同，尤其是兩半轉(zhuǎn)翼接近或離開時(shí)存在Weis-Fogh效應(yīng)。因此，模擬分析半轉(zhuǎn)翼流場(chǎng)特性時(shí)采用FLUENT的瞬態(tài)湍流計(jì)算模型。考慮到半轉(zhuǎn)翼的弦向長(zhǎng)度b大于展向長(zhǎng)度2a，翼端的流體對(duì)半轉(zhuǎn)翼的推力影響較小，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將半轉(zhuǎn)翼的流場(chǎng)分析模型簡(jiǎn)化為平面模型[12]。

3 半轉(zhuǎn)翼Weis-Fogh效應(yīng)數(shù)值分析

為了研究仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型的Weis-Fogh效應(yīng)影響規(guī)律，計(jì)算2種不同間隙的組合模型，即仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型(工作間隙較小)和無窮遠(yuǎn)的半轉(zhuǎn)翼模型(工作間隙較大)。計(jì)算模型的參數(shù)除工作間隙不同外，其他均相同。半轉(zhuǎn)翼為矩形葉片，展向長(zhǎng)度2a=230 mm，弦向長(zhǎng)度b=250 mm，2Δ=220 mm，設(shè)曲柄角轉(zhuǎn)速ω=2π rad/s，半轉(zhuǎn)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為π rad/s，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s，步數(shù)為60，使半轉(zhuǎn)翼轉(zhuǎn)動(dòng)半周，完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的流場(chǎng)特性計(jì)算。曲柄從半轉(zhuǎn)翼平行于y軸的位置開始轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出半轉(zhuǎn)翼不同方位時(shí)的周圍流場(chǎng)速度和壓力分布。特別指出的是，當(dāng)半轉(zhuǎn)翼的工作間隙趨向無窮大時(shí)，兩翼片間的流場(chǎng)特性相互影響將不復(fù)存在，相當(dāng)于2個(gè)單翼片的半轉(zhuǎn)翼各自單獨(dú)工作，故采用單翼片半轉(zhuǎn)翼模型的流場(chǎng)特性模擬無窮遠(yuǎn)的組合半轉(zhuǎn)翼模型流場(chǎng)特性。

3.1 半轉(zhuǎn)翼周圍速度矢量分布

圖3是半轉(zhuǎn)翼在不同方位時(shí)流場(chǎng)速度矢量分布。半轉(zhuǎn)翼“急張”過程中，翼前端A點(diǎn)處流速較大且形成靠近翼端的渦流，翼后端B點(diǎn)產(chǎn)生速度較小的渦流，說明出現(xiàn)了非定常流動(dòng)，如圖3(a)所示。兩翼轉(zhuǎn)動(dòng)過程中(圖3(b)～(e))，兩翼之間的空間由擴(kuò)大到壓縮，兩翼中間的流體速度大小變化較大而方向由前、后相反變?yōu)榛鞠嗤绕涫莥軸附近的流體，速度方向最后指向y正向；翼兩端的渦流位置和大小都在發(fā)生變化，前端的渦流遠(yuǎn)離A點(diǎn)且強(qiáng)度減弱，而后端的渦流接近B點(diǎn)并不斷加強(qiáng)，在y軸的兩側(cè)分別形成2個(gè)渦流，即遠(yuǎn)離半轉(zhuǎn)翼的渦流，圍繞半轉(zhuǎn)翼的渦流，如圖3(e)所示。半轉(zhuǎn)翼“相拍”過程中，兩翼之間的流體被擠壓，流體從兩翼之間的空間流出，坐標(biāo)原點(diǎn)附近的流速明顯增加，圍繞半轉(zhuǎn)翼的渦流進(jìn)一步加強(qiáng)，渦流中心位于兩翼的外側(cè)，如圖3(f)所示。

因此，半轉(zhuǎn)翼在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，其周圍的流場(chǎng)會(huì)形成2個(gè)渦流，渦流的位置和強(qiáng)度隨半轉(zhuǎn)翼的位置而變化。由于兩翼的布置對(duì)稱于y軸，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，渦流的位置和強(qiáng)度也對(duì)稱于y軸。這反映了仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型的Weis-Fogh效應(yīng)特征。

圖3 半轉(zhuǎn)翼流場(chǎng)速度矢量圖Fig.3 Fluid velocity vectors around half-rotating wing

3.2 半轉(zhuǎn)翼周圍壓力分布

圖4是半轉(zhuǎn)翼在不同方位時(shí)周圍壓力分布云圖。半轉(zhuǎn)翼前后表面與流體相互作用，由于渦流的作用使得前表面壓力小于后表面的壓力，半轉(zhuǎn)翼前后面的壓力差產(chǎn)生了升力。與流場(chǎng)速度矢量圖對(duì)應(yīng)，在“急張階段”，半轉(zhuǎn)翼前端A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度較大，迎流面壓力較大，與渦流接觸的面形成負(fù)壓區(qū)，但作用區(qū)域很小，如圖4(a)所示。隨著半轉(zhuǎn)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)，迎流面的高壓區(qū)不斷擴(kuò)大，而負(fù)壓區(qū)隨著渦流的位置和強(qiáng)度變化而不斷擴(kuò)大，如圖4(b)～(e)所示。在“相拍”階段，由于2個(gè)渦流都位于半轉(zhuǎn)翼的外側(cè)，其中一個(gè)渦流位于半轉(zhuǎn)翼的附近，負(fù)壓區(qū)最大且壓力最小，如圖4(f)所示。因此，流場(chǎng)壓力云圖驗(yàn)證了仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型的Weis-Fogh效應(yīng)特征。

3.3 升力計(jì)算結(jié)果與比較

半轉(zhuǎn)翼運(yùn)動(dòng)過程中，其表面的分布?jí)毫珊铣蔀樯?。?dāng)半轉(zhuǎn)翼的結(jié)構(gòu)尺寸和轉(zhuǎn)速相同時(shí)，不同狀態(tài)模型計(jì)算的升力反映Weis-Fogh效應(yīng)影響的效果。根據(jù)上述兩種模型的計(jì)算結(jié)果，整理出半轉(zhuǎn)翼不同轉(zhuǎn)角的計(jì)算升力，如表1。為便于分析比較，將表1的結(jié)果擬合置于同一圖中，如圖5所示。需要說明的是，本文合成計(jì)算的升力為半轉(zhuǎn)翼單翼片升力，由于半轉(zhuǎn)翼翼片對(duì)稱布置，組合半轉(zhuǎn)翼總升力為單翼片升力的2倍。

在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，兩種仿真模型的半轉(zhuǎn)翼升力變化規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果[4]一致。由圖1，5可見，在“急張”的初始點(diǎn)和“相拍”的終點(diǎn)，半轉(zhuǎn)翼相互平行，半轉(zhuǎn)翼上各點(diǎn)的x方向速度為0，此時(shí)的升力接近于0，這與實(shí)際相符。在半轉(zhuǎn)翼轉(zhuǎn)速只有π rad/s，翼面積僅0.15 m2的工況下，仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型可以產(chǎn)生0.436 N的最大升力，而無窮遠(yuǎn)的半轉(zhuǎn)翼模型則產(chǎn)生0.334 N的最大升力。顯然，Weis-Fogh效應(yīng)的影響是明顯的，使升力提高了30.5%。

圖4 半轉(zhuǎn)翼流場(chǎng)壓力云圖Fig.4 Fluid pressure clouds around half-rotating wing

表1 半轉(zhuǎn)翼在空氣中的升力Tab.1 Lift of half-rotating wing in air

圖5 2種模型的總升力擬合曲線Fig.5 Fitting curves of total lift by two kinds of model

4 結(jié) 論

提出一種仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型，給出該模型參數(shù)的計(jì)算方法?；贔LUENT建立仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼的流場(chǎng)特性計(jì)算模型，對(duì)兩種工作間隙的仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型進(jìn)行流場(chǎng)特性的仿真計(jì)算與分析，獲得半轉(zhuǎn)翼運(yùn)動(dòng)時(shí)流場(chǎng)的速度矢量和壓力分布，揭示仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型的Weis-Fogh效應(yīng)特征，且由半轉(zhuǎn)翼表面的壓力分布計(jì)算出半轉(zhuǎn)翼的升力。結(jié)果表明：在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，Weis-Fogh效應(yīng)始終影響半轉(zhuǎn)翼流場(chǎng)中速度矢量和壓力分布，可大大提高半轉(zhuǎn)翼的升力；在半轉(zhuǎn)翼轉(zhuǎn)速只有π rad/s，翼面積僅0.15 m2的工況下，仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型的最大升力可提高30.5%。這對(duì)于仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼的開發(fā)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義，且為采用流場(chǎng)特性計(jì)算模型計(jì)算不同參數(shù)仿鳥組合半轉(zhuǎn)翼模型的升力奠定了基礎(chǔ)。

[1]張明偉，方宗德，周凱.微型仿鳥撲翼飛機(jī)設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2007,24(5):30-40.

[2]周驥平，武立新，朱興龍.仿生撲翼飛行器的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2004(6):12-17.

[3]邱晗，王孝義.半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：一種運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)構(gòu)的構(gòu)成及其基本運(yùn)動(dòng)特性[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30(2):600-604．

[4]邱支振.半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2011:62-74.

[5]WEIS-FOGH T.Quick estimates of flight fitness in hovering animals including novel mechanism for lift production[J].Journal Experimental Biology,1973(59):169-230.

[6]宋保維，鄧軍，曹永輝，等.基于滑移網(wǎng)格海龜撲翼推進(jìn)數(shù)值仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011(12):149-152.

[7]張鵬，宋保維，杜曉旭.仿生撲翼UUV流體動(dòng)力數(shù)值計(jì)算[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013(1):397-400.

[8]楊璞.撲翼的非定常水動(dòng)力特性數(shù)值研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014(8):372-376.

[9]張玉華，代強(qiáng)，周進(jìn).類撲翼飛行器及其葉片流場(chǎng)特性研究[J].機(jī)電工程，2013,3(4):403-406.

[10]陳富強(qiáng)，邱支振.有間隙翼片的Weis-Fogh效應(yīng)[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005,22(5):121-123.

[11]孫禮，邱支振.仿Weis-Fogh效應(yīng)的急張階段分析[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006,23(4):418-420.

[12]邵春陽(yáng).基于Fluent的半轉(zhuǎn)翼流場(chǎng)動(dòng)力特性分析[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2014:38-50.

責(zé)任編輯：何莉

Numerical Simulation of Lift and Weis-Fogh Effect of Combined Half-rotating Bionic-wing

WANG Xiaoyi，ZHANG Yuhua，SHAO Chunyang，QIU Zhizheng
(School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243032,China)

The combined half-rotating wing(CHW)is a new power wing,which has important application prospect in bionic flight.A model of bionic CHW,which simulates bird,was proposed,formulas to calculate the model parameter were derived,and the method to reduce working gap of CHW was further given.The computational fluid dynamic models of CHW were established based on FLUENT software.The characteristics of lift change and of CHW were discovered after the numerical simulation of the flow field of the models.The results indicate that the distribution of velocity vector and pressure in the flow field are always affected by the Weis-Fogh effect within one motion period,and the Weis-Fogh effect can improve the lift of CHW greatly.Case study demonstratesthatmaximumliftcanincreaseby30.5%.Theresearchresultsmentionedabovecanprovidetheoretical supporting to explain generating mechanism of lift for CHW,by which lift force can be estimated for CHW with different size parameters.

bionics flying robot;combined half-rotating wing;Weis-Fogh effect;numerical simulation

TH 112；TP 391

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.04.012

1671-7872(2016)04-0372-06

2016-08-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375014)

王孝義(1970-)，男，安徽池州人，博士，教授，研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)械、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造等。