黑脉金斑蝶和凤蝶的翅膀结构是航空航天设计的奇迹

黑脉金斑蝶和凤蝶的翅膀结构是航空航天设计的奇迹

黑脉金斑蝶和凤蝶的翅膀结构是航空航天设计的奇迹

优雅的蝴蝶以其长距离飞行能力而著称。黑脉金斑蝶和凤蝶的翅膀结构是航空航天设计的奇迹,其可以实现能够产生力量的各种机制:尾流捕获、两种不同类型的前缘涡、主动力与非主动上升。格拉斯哥大学的航空工程师对此非常着迷,从中看到了在其蝶形扑翼(拍翼运动)微型飞行器(MAV)开发项目中引入这种自然设计的良机。工程师根据MAV 的需求(敏捷性与飞行稳定性)选择了适当的蝴蝶种类。

黑脉金斑蝶在躲避捕食者时能够在极小空间中转弯,而凤蝶的后翅具有起到平衡器作用的独特飘带。这两种翼型都能够产生远远超过稳态非瞬时空气动力学所支持的升力,因此格拉斯哥大学的工程师决定集中精力进行瞬态分析,以精确揭示哪些流体相互作用使蝴蝶翅膀有如此高效的性能。

该项目采用ANSYS Fluent研究流体流动。工程师进行了纳维叶-斯托克斯方程的全3D非稳定直接数值仿真(DNS),以完整获取翅膀运动所产生流体的所有结构。选择用于仿真的计算机是64位Intel® Core i7-2600 CPU,3.4GHz,8个处理器,16GB 的RAM。

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凤蝶与黑脉金斑蝶

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两种蝴蝶并排流线对比:等距正视图

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两种蝴蝶并排流线对比:3D顶视图

这两种翼型都能够产生远远超过稳态非瞬时空气动力学支持的升力。

团队把蝴蝶模型作为刚性结构进行处理。为了进行流体流动研究,工程师做出了简化假设:蝴蝶躯干和翅膀在飞行过程中不产生变形。为了降低问题规模,采用了每种蝴蝶的半模型,而且各个模型周围的流体域沿所有方向扩展为蝴蝶躯干的20~40倍。网格是非结构化的,而翅膀周围群集了大约1000万个单元。工程师采用实际自然飞行的观测结果模拟迁移(前向运动)和悬停过程的扑翼运动。两种飞行方式下基于躯干长度、最大翼尖速度和自由气流速度的流体的有效雷诺数范围大约是500。

在CFD分析过程中,黑脉金斑蝶的飞行行为用作与凤蝶对比的基准,因为流型差异使研究人员能够单独研究尾流的稳定效果。这两种蝴蝶都具有高飞行速度以及高幅度、低频率翅膀拍击。工程师从实际飞行观察到翅膀拍击方向大致与躯干轴线保持垂直。这样就允许根据以躯干轴线旋转的框架求解蝴蝶流体模型。φ = 0度位置的上升拍击(向下拍击)的中点用作仿真起点,其可以采集频率为1Hz、从-80度到+80度的翅膀拍打范围。

CFD分析结果显示:悬停动作期间的翅膀拍打可以同时在前翼和后翼边缘产生强烈、稳定的前缘涡。这种垂直涡流朝翅膀内侧后部以反时针方向旋转。同时,在上升拍击开始时直接流经翅膀间隙的气流沿垂直涡环的轴线运动,同时开始向后移动。上次拍击最底部位置的翅膀减速造成蝴蝶出现水平向下的停止涡流。在飞行过程中,两个涡流合并成翅膀持续拍动产生的新附着水平涡环。整个机制类似于尾流捕获,同时导致了蝴蝶翅膀向下拍击时产生的强大升力。

蝴蝶翅膀异乎寻常的空气动力学会显著促进格拉斯哥大学微型飞行器的不断改进。

向前飞行运动的结果发现大同小异,其主要区别是前缘涡环是倾斜的。研究人员观察到后续涡流形成模式也存在差异。对于向前飞行,垂直涡环由于向前运动造成的对流而快速向后移动。在拍击底部,翅膀会发散向下和向后运动的水平涡环。与悬停飞行不同 – 其中水平环与垂直环融合并且附着到后翼的边缘周围;在迁移飞行中,翅膀在拍击底部的减速伴随涡环发散。在离开翅膀之后,水平涡环向下和向后移动。

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两种蝴蝶涡流结构的并排对比:等距正视图

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两种蝴蝶涡流结构的并排对比:等距下视图

凤蝶在两种飞行条件下的空气动力学与黑脉金斑蝶类似。主要前缘涡同样是沿翅膀前缘发散。气流经过拍动的翅膀之间的间隙沿垂直涡环的轴线运动。最有趣的研究结果是飘带对飞行期间产生的流体结构造成的巨大影响。凤蝶后翼下部转角的飘带可以在飘带边缘附近产生马蹄状附加涡流。尾流由于这些附加马蹄涡流而对齐,从而提高凤蝶飞行的稳定性。

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工程师另外发现凤蝶翅膀产生的前缘涡由于稳定化而扩大,从而提高翅膀效率。尽管其翅膀面积仅差5%,但是凤蝶翅膀产生的动力和力矩却比黑脉金斑蝶的高大约20%。由于两个模型大同小异,研究人员因此得出的结论是:动力与力矩大幅提高的唯一来源肯定是飘带。

两种CFD研究加深了工程师对强大轻型机翼设计所需流型的理解,从而有助于MAV技术的持续开发。蝴蝶翅膀异乎寻常的空气动力学会显著促进格拉斯哥大学微型飞行器的不断改进。