仿生鳥自主飛行的數(shù)值模擬與控制.pdf

1、自然界中的鳥類擁有完美的飛行能力，比現(xiàn)有的人造飛行器高效靈活，但撲翼飛行也比固定翼飛行復(fù)雜得多。研究并分析撲翼鳥身體的主被動變形與三維流場結(jié)構(gòu)之間的相互作用，以及由此對鳥體飛行姿態(tài)產(chǎn)生的影響，對進(jìn)一步理解升力的產(chǎn)生機理以及促進(jìn)微型飛行器的發(fā)展都具有重大意義。然而，在以往研究中無論是風(fēng)洞實驗還是計算機模擬，真實或人造飛行物（或翅膀）的軀干（或翅根）總是被固定在特定位置，整體不能平移或者轉(zhuǎn)動，這種研究與真實飛行相差甚遠(yuǎn)。本文在粘性不可壓縮流

2、體中實現(xiàn)了仿生鳥由靜止起飛到自主飛行的數(shù)值模擬，并對整個飛行過程進(jìn)行了分析，更以此為工具測試了翅膀的拍動規(guī)律和尾巴的姿態(tài)對飛行狀態(tài)的影響。
　　計算流體力學(xué)軟件包主要包含以下算法:以動力學(xué)控制方程和三維粘性不可壓縮非定常Navier-Stokes方程共同構(gòu)成自主飛行的控制方程，并應(yīng)用有限體積法對后者求解，在時間和空間上分別通過分?jǐn)?shù)步投影法和多層次八叉樹網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合多重網(wǎng)格加密技術(shù)進(jìn)行離散，應(yīng)用ghost-cell浸入邊界法處理動邊

3、界問題，并結(jié)合自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)來節(jié)省計算資源，提高計算效率。應(yīng)用這個軟件包，本研究成功地模擬了仿生鳥的自主飛行。
　　數(shù)值模擬中的仿生鳥依靠翅膀的拍動和轉(zhuǎn)動來提供驅(qū)動力和升力，在飛行中完全自由——有6個自由度。鳥體的質(zhì)心隨時間不停地變化，飛行滿足動量守恒和角動量守恒。借此分析了仿生鳥飛行在周圍流場中產(chǎn)生的尾渦的演化過程，發(fā)現(xiàn)尾渦分為三類:在翅膀前緣形成的渦、在翅膀后緣形成的渦和在軀干、尾巴和翅根附近形成的渦;其中，前兩類渦構(gòu)成了

4、尾渦的主體，第三類渦非常弱，卻是自主飛行所特有的;整個尾渦的演化與仿生鳥的運動具有一致的周期性特征。
　　通過分析翅膀的運動與周圍流場中的渦結(jié)構(gòu)、所受外力以及飛行特征之間的聯(lián)系，得出以下結(jié)論:
　　(a)飛行中鳥體受到的合外力主要來自于翅膀的運動，同時也主要作用在翅膀上;
　　(b)影響仿生鳥向前直飛狀態(tài)最重要的因素有:合外力沿x軸方向與z軸方向的分量和俯仰角;
　　(c)翅膀的周期性運動，產(chǎn)生了周期性變化的合外

5、力和力矩，從而使仿生鳥呈現(xiàn)出周期性變化的飛行狀態(tài)。
　　本文分別對翅膀運動的六個參數(shù)——運動頻率、拍動幅度和轉(zhuǎn)動幅度、拍動平衡位置和轉(zhuǎn)動平衡位置以及在一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動時長，進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律:
　　(a)增大翅膀的運動頻率或拍動幅度，或者選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動幅度，可以同時增大沿 x軸方向和z軸方向的速度分量;
　　(b)在一定范圍內(nèi)微調(diào)翅膀的拍動或轉(zhuǎn)動平衡位置，可以改變沿x軸方向和z軸方向上速度分量的大小;