仿鳥羽毛撲翼氣動(dòng)性能分析

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100192)

引言

撲翼仿鳥羽毛型飛行器是一種模仿鳥類撲翼飛行的新型飛行器，通過撲翼飛行使撲翼在撲動(dòng)的過程中，同時(shí)產(chǎn)生向上的升力和向前的推力[1]。在空中飛翔時(shí)，鳥類可以任意改變飛行方式，很靈活，具有很高的機(jī)動(dòng)性能，所以撲翼飛行成為了研究的熱點(diǎn)。由于其良好的氣動(dòng)效率、隱蔽性、低噪聲等，在軍事和民用領(lǐng)域具有廣闊的前景。RAMAMURTI等[2]采用數(shù)值模擬方法模擬了果蠅的三維非定常流動(dòng)，計(jì)算得到氣動(dòng)力特性結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)值相吻合。

陳利麗[3]仿真分析發(fā)現(xiàn)柔性撲翼的升力和推力特性受彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形運(yùn)動(dòng)的綜合影響。孫茂[4]通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)蜂蠅的快速起飛過程，并計(jì)算分析其中的力學(xué)過程，處理所測(cè)得數(shù)據(jù)得到起飛過程中的慣性力和力矩，計(jì)算翅膀拍動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)力，由力學(xué)平衡得到腿部作用力。魏德宸等[5]設(shè)計(jì)了一種包括鴨翼、脊型前體、邊條翼、主翼和垂尾的模型，進(jìn)行了自由滾轉(zhuǎn)、擾動(dòng)滾轉(zhuǎn)、靜動(dòng)態(tài)測(cè)力等多種技術(shù)相結(jié)合的風(fēng)洞試驗(yàn)。曾銳[6]用非定常渦格法計(jì)算變速-折疊撲翼仿鳥撲動(dòng)模型，研究表明，折疊運(yùn)動(dòng)得到的平均升力系數(shù)比剛性運(yùn)動(dòng)更高。文獻(xiàn)[7]研究了八哥翅翼形態(tài)與飛行能力的關(guān)系，八哥起飛時(shí)，要具有很大的爬升角且此時(shí)八哥的翅翼的翼尖是圓形的。起飛時(shí)，爬升角比較小的情況下，翅翼的翼尖是尖形的。不同的翼尖形狀對(duì)鳥類起飛，有很大的影響。文獻(xiàn)[8]提出翼型具有羽毛蓋，其形狀和面積與基翼相同，主結(jié)構(gòu)骨架也是相同的，它由前翼梁和斜梁組成。飛行翼上的羽毛順序就像鳥翼的排列，在2個(gè)相鄰的羽毛中，靠近翼尖的在下面，而在翼根附近的在上面。

鳥類飛行是通過翅膀靈活運(yùn)動(dòng)和羽毛共同作用產(chǎn)生升力和推力。鳥的羽毛是鳥類適應(yīng)飛行生活最具獨(dú)特性的構(gòu)造，羽毛為鳥翅膀提供流線外形、減小身體重量等方面具有非常重要的作用。羽毛覆蓋了鳥的全身，具有可再生及防水的作用，羽毛與骨骼組成的翅膀有利于鳥類飛翔[9]。

1 鳥類羽毛的組成及作用

1.1 鳥翅羽毛構(gòu)成

鳥類翅膀羽毛分布如圖1所示，可分為以下幾類[10]：

初級(jí)飛羽，分布在指骨肌肉的外部，構(gòu)成了翅膀的外翼部分，占翅膀整個(gè)面積的30%～40%。在指骨運(yùn)動(dòng)和肌肉收縮的帶動(dòng)下，初級(jí)飛羽有較大運(yùn)動(dòng)幅度，是氣動(dòng)力的主要來源[10]。初級(jí)飛羽中的單根羽毛形狀類似船槳，有些初級(jí)飛羽還能夠參與一定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

圖1 鳥翅膀的羽毛

次級(jí)飛羽，覆蓋在上臂處的尺骨肌肉外部，形成了翅膀的內(nèi)翼部分，在上臂關(guān)節(jié)和肌肉的帶動(dòng)下，羽毛內(nèi)翼面也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)。由于次級(jí)飛羽具有較大的弧度，所以升力更容易產(chǎn)生。

三級(jí)飛羽，位于鳥類翅膀的根部和身體連接處的羽毛，鳥類的翅膀與身體之間形成一個(gè)光滑氣動(dòng)面，讓氣流順利流過，預(yù)防紊流產(chǎn)生，一般而言，以滑翔飛行為主的大型鳥類都具有三級(jí)飛羽。

覆羽，長(zhǎng)在鳥類身體的外表面及其翅膀的背部，讓鳥類身體和翅膀看起來像流線似的，并提供一定升力及可以減少一些阻力[11]。

1.2 單根羽毛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

單根羽毛的形狀類似船槳，并且具有精細(xì)的結(jié)構(gòu)。羽毛由羽莖、羽枝和羽枝小鉤等組成。羽毛整體葉面像平滑的流線似的，并且具有一定的彎曲度。羽莖的外側(cè)長(zhǎng)有羽枝的部分是羽軸，羽軸是實(shí)心結(jié)構(gòu)。羽莖不僅有較高強(qiáng)度和韌性，還有非常輕的重量。羽軸橫向有大量羽枝，羽枝上長(zhǎng)著許多的小羽枝和羽枝小鉤，它們相互交織在一起，形成一個(gè)平滑的像流線似的羽毛葉面[12]，羽毛整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 羽毛的結(jié)構(gòu)

為了滿足飛行姿態(tài)變化的不同需要，鳥類在飛行時(shí)，翼面形狀、翼面面積、展向弦長(zhǎng)、翼型形狀都在變化。一般而言，體積較大的鳥類，它們擁有大展弦比翼面和較大面積的尾翼，以增大升阻比，減少能量消耗；體積較小的鳥類，擁有小展弦比翼面和剪刀狀尾翼，以提高氣動(dòng)面的靈活性。

2 建立模型

2.1 羽毛建模

羽毛建模對(duì)海鷗翅翼的初級(jí)飛羽、次級(jí)飛羽和初級(jí)飛羽覆羽進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量了海鷗翅翼的初級(jí)飛羽、次級(jí)飛羽和初級(jí)飛羽的羽干長(zhǎng)度、內(nèi)羽片面積、外羽片面積，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1中測(cè)的是靜態(tài)數(shù)據(jù)，在實(shí)際飛行中，鳥類姿態(tài)在不停地變化，羽毛的姿態(tài)也要變化，取靜態(tài)數(shù)據(jù)的平均值，從初級(jí)飛羽的羽干長(zhǎng)度來看，前3根飛羽的羽干長(zhǎng)度較大，這說明這3根飛羽構(gòu)成了翅翼的羽尖形狀。其它初級(jí)飛羽羽干長(zhǎng)度較接近,外羽片面積是減少的，內(nèi)羽片面積也是減小的且內(nèi)羽片面積大于外羽片面積。而次級(jí)飛羽的羽干長(zhǎng)度也比較接近，外羽片面積小于內(nèi)羽片面積。初級(jí)飛羽和次級(jí)飛羽排布，形狀決定了翅膀的形狀。但初級(jí)飛羽的內(nèi)外羽片面積存在較大差異，從外羽片面積，內(nèi)羽片面積后面6根飛羽也是較接近的。

表1 初級(jí)飛羽與次級(jí)飛羽的測(cè)量結(jié)果

注：A1代表羽干長(zhǎng)度，mm；A2代表外羽片面積，mm2；A3代表內(nèi)羽片面積，mm2。

圖3 相鄰羽毛間的重疊

由表1可以看出，前3根初級(jí)羽毛的羽干比其他初級(jí)飛羽長(zhǎng)，外羽片面積比其他初級(jí)飛羽大，內(nèi)羽片面積其他初級(jí)飛羽大。相鄰羽毛間的重疊如圖3所示，觀察羽毛可以發(fā)現(xiàn)第1根初級(jí)飛羽前緣比其它初級(jí)飛羽的前緣鋒利，且第1根初級(jí)飛羽的外羽片比較窄及具有不對(duì)稱性外羽片和內(nèi)羽片，造成這種結(jié)構(gòu)的原因有以下三方面：第一是羽毛外羽片面積比較小且都向斜上方生長(zhǎng)，這樣的結(jié)構(gòu)使初級(jí)飛羽的迎風(fēng)面積大大減少了；第二是前3根初級(jí)飛羽具有像流線似的相同結(jié)構(gòu)，形成了海鷗翅膀的翼尖，這樣的結(jié)構(gòu)有利于提升飛行能力，降低飛行中的阻力；第三是前3根羽毛具有不對(duì)稱的初級(jí)飛羽和次級(jí)飛羽，在重疊區(qū)域內(nèi)形成了一部分通道如圖3所示。當(dāng)翅膀上下?lián)鋭?dòng)時(shí)空氣會(huì)經(jīng)過縫隙穿過外羽片進(jìn)入重疊區(qū)域，而空氣不能穿過內(nèi)羽片，因此大量的空氣會(huì)沿著羽軸向后噴出，給羽軸一個(gè)向前的力，有利于鳥類飛行。

基于以上分析，取相關(guān)尺寸建立如圖4所示模型。

圖4 羽毛的模型

2.2 撲翼仿鳥羽毛型飛行器三維模型

撲翼仿鳥羽毛型飛行器越輕，越有可能在空中飛行，能量消耗越少，飛行時(shí)間越長(zhǎng).根據(jù)撲翼飛行器整體結(jié)構(gòu)尺寸，其質(zhì)量大約為500 g。m為飛行器的質(zhì)量，根據(jù)表2算得如下尺寸：

全翼展L=1.17m0.39=0.893

翼面積S=0.16m0.72=0.0971

雙翅拍打頻率f=3.87m-0.33=4.865

機(jī)翼弦比長(zhǎng)b=S/L=0.1087

表2 鳥類身體質(zhì)量與其撲翼飛行參數(shù)的關(guān)系[13]

當(dāng)鳥類在空中飛行時(shí)，根據(jù)飛行狀態(tài)的不同，撲動(dòng)頻率也不同，且在一定范圍內(nèi)變化[14]。不同體型的鳥類，撲動(dòng)頻率有很大的不同，一般來說，體型越大的鳥，撲動(dòng)頻率越低，體型越小，撲動(dòng)頻率會(huì)越高[15]。

采用撲翼仿鳥羽毛型飛行器的整機(jī)模型如圖5所示。

圖5 撲翼仿鳥羽毛型飛行器

工作原理如圖6所示：

電機(jī)帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪1與齒輪2嚙合，齒輪1帶動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)減速，齒輪2帶動(dòng)相應(yīng)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸帶動(dòng)齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪3帶動(dòng)齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速，齒輪4帶動(dòng)齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪5與齒輪6嚙合，由于齒輪5與齒輪6直徑大小完全相同，所以齒輪5與齒輪6等速傳動(dòng)，齒輪5與齒輪6通過對(duì)應(yīng)的軸分別帶動(dòng)各自的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)相應(yīng)的搖桿上下?lián)鋭?dòng),羽毛在搖桿的帶動(dòng)下，參與相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

圖6 機(jī)翼工作原理圖

3 羽毛CFD分析

3.1 羽毛CFD模擬計(jì)算

用SolidWorks建好模型，導(dǎo)入到DesignMolder中，用Meshing劃分網(wǎng)格如圖7所示，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，質(zhì)量較好，導(dǎo)入到Fluent中。由于機(jī)翼的撲動(dòng)速度比較小，模型選擇SST k-omega模型，邊界條件：入口設(shè)置為速度入口，其他壁面設(shè)為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)，本研究取流速為5 m/s，馬赫數(shù)為0.01471。

圖7 單根羽毛網(wǎng)格劃分

圖8所示的是單根羽毛的壓力云圖，從羽柄到羽軸，壓力逐漸增大，靠近羽柄的羽枝形成的流線型葉面壓力是比較大的，提供較大的升力，羽軸處的羽枝形成的流線型葉面壓力是比較小，提供較小的升力。

圖8 羽毛的壓力云圖

3.2 羽毛彎曲角度對(duì)羽毛氣動(dòng)性能的影響

圖9所示的是羽毛彎角分別是1°,2°，3°，4°，5°，6°，羽毛速度云圖比較，羽毛彎曲時(shí)，伴隨著非常復(fù)雜非定?？諝饬鲃?dòng)，羽毛上下流線型葉面會(huì)形成速度差，且強(qiáng)度是先增大后減小。

3.3 羽毛彎曲過程升、阻力分析

在Fluent中監(jiān)測(cè)升力系數(shù)和阻力系數(shù)，流速為5 m/s 時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.01 s,計(jì)算320步，320次迭代后，羽毛的升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線如圖10和11所示。

由圖10和11可以看出，當(dāng)來流速度為4 m/s時(shí)，升力系數(shù)與阻力系數(shù)起始階段波動(dòng)比較劇烈，但當(dāng)升阻力系數(shù)達(dá)到最大值或最小值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)出現(xiàn)驟變，其后漸漸平緩。說明流速不大時(shí)，在起始階段，羽毛的升阻力會(huì)有較大波動(dòng)。仿生撲翼飛行器是通過機(jī)翼的上下擺動(dòng)帶動(dòng)羽毛彎曲，從而產(chǎn)生升力，這對(duì)撲翼飛行器的升阻力有重要影響。

由圖12和13所示，分別顯示了升力，阻力隨羽毛彎角的變化，流速為5 m/s時(shí)，在一定羽毛彎角范圍內(nèi)，彎角為1, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°，升力是增大，阻力是先減小后增大。圖14顯示在羽毛彎角為2°時(shí)，升阻比達(dá)到最大。

圖9 不同彎角下的羽毛壓力云圖

圖10 羽毛的升力系數(shù)曲線

圖11 羽毛的阻力系數(shù)曲線

圖12 升力曲線圖

圖13 阻力曲線圖

圖14 升阻比隨角度變化

4 結(jié)論

本研究建立了撲翼仿鳥羽毛型飛行器及單根羽毛模型，基于Fluent分析了羽毛的氣動(dòng)特性，分析了羽毛彎角對(duì)羽毛氣動(dòng)性能的影響。羽毛升力系數(shù)隨羽毛彎角的變化，為計(jì)算單根羽毛最大能提供多大升力提供依據(jù)。