通过流体力学的研究方法，探索机翼振动对微型扑翼飞行器的影响

文 | 论芸轩

编辑 | 论芸轩

微型扑翼飞行器是一种基于仿生学原理的微型飞行器，而且它是在模仿鸟类或昆虫飞行的基础上设计制造出来的。

它的研制不仅能够推动新技术和相关领域的发展，而且在国防领域有十分重要而广泛的应用。

因为它体积小、重量轻成本低、隐身性和可操作性好，能完成许多其它飞行器所无法执行的任务，如环境监测、低空侦察、复杂地形战场攻击、通讯中继、核生化检测等。

因此，人类研制MAV有着重要的航空科学意义和广泛的应用前景。

而微型扑翼飞行器存在着诸多问题，比如由于其尺限制，难以提供足够的升力，或者在低雷诺数情况下，粘性力占据主导地位，其空气动力学问题也成为目前一个具有挑战性的科学性问题。

并且从仿生角度讲，扑翼飞行器的研究还任重道远，而目前，基于振动理论的扑翼飞行器研究甚少，很多都没有考虑机翼在扑动过程中，由于惯性力的影响而产生的变形对于气动力的影响。

所以这次研究的重点，就是为基于计算流体力学方法，探索机翼扑动时，在惯性力作用下机翼产生的振动变形对气动力的影响。

首先探究机翼变形，对微型扑翼飞行器周围流场的影响和对飞行性能的影响，主要采用的研究方法，是基于FLUENT的数值模拟，都是通过求解流体力学的基本控制方程，来描述扑翼飞行器周围的流场。

而常规飞行器与扑翼飞行器在数值模拟时的主要区别是，常规飞行器需要考虑飞行过程中，飞行器周围空气的温度变化以及压力密度变化。

而针对扑翼飞行器的数值模拟，可以当做不可压缩流体来处理，并且可以不考虑流场的温度变化，所以给出了适用于不可压缩流体的控制方程。

而鸟类在一个完整扑动周期里，除了翅翼的上下扑动外，还有机翼的弯曲变形，由力学知识可知，机翼在扑动过程中，受到周期性的惯性力的作用，当机翼较薄、弹性较好时，就会产生周期性的弯曲变形。

基于鸟类扑动过程中的弯曲变形，和惯性力作用下的弯曲变形二者之间的相似性，而因惯性力引发的弯曲变形，对扑翼飞行器的飞行效果产生怎样的影响?

而在以往的研究中，大多将机翼被当做刚性数据来做数值模拟，以此来探索惯性力引发的振动弯曲变形对扑翼飞行器飞行的影响。

而现代的飞机，不论是大飞机还是小飞机、军用的还是民用的，都必须同时具备机翼和推进器才能飞上天。

并且机翼是用来产生升力，使飞机向上飞行，而推进器用来产生推力,使飞机向前飞行，这对飞机的正常飞行都是十分重要的。

如果只有机翼而没有推进器，那就变成了滑翔机，其是不能独立升空前行的，因此，机翼在飞机的飞行中只起支持的作用，而没有推进的能力。

但鸟是没有推进器的，它的身上既没有喷气发动机喷出燃气来推动它前进，也没有活塞发动机驱动螺旋桨来拉它前进，但鸟之所以能够翱翔天空，就是靠它的翅膀。

那是因为鸟通过扑动翅膀来产生升力和推力从而使自己灵活的飞行，并且能够通过改变机翼形状和迎风角度来改变飞行方向，升力和推力产生的机理。

简单来说，当扑翼向下扑动时，气流相对扑翼有一垂直的力，并将其分解，同时使用竖直向上的力用来克服重力，称为升力。

而推动飞行器向前运动的力，称为推力，从空气动力学角度来讲，翅翼两侧的压力差产生了升力和推力。

而适用于扑翼飞行器研究的方法主要分为三种，首先是理论方法，包括空气动力学、流体力学、流固耦合动力学等。

然后是实验方法，包括样机的研制、风洞实验，最后是CFD数值模拟，其中FLUENT的仿真设计是最为常用的。

这次主要重点介绍CFD数值模方法，给出了基本控制方程(纳维一斯托克斯方程组)，并基于FLUENT做了流场分析。

而计算流体力学是目前研究流体运动的最重要的工具，其主要的方法就是在计算域网格化之后，通过网格之间求解控制方程。

并且控制方程常常是非线性的，并没有解析解，那就需要寻求对偏微分方程的数值解法。

CFD通过网格划分的方法，将非线性的控制方程，离散成线性或非线性方程组，再使用数值方法加以求解。

所以与传统的风洞试验相比，CFD方法可以认为是一种“数值试验”，该试验可以高效地、低成本地模拟真实流体的流动。

而在微型扑翼飞行器的研究中，建模后通过流场分析，寻找到合适的扑翼模型，再通过试验验证该模型的准确性。

从而避免了冗余繁杂的实物制作，提高了扑翼样机制作的成功率。

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如果想要通过CFD技术，对扑翼飞行器的空气动力学进行研究，就必须知道机翼的运动变形规律。

为此，采用基于ABAQUS有限分析软件，对机翼做了瞬分来取机的变形规律。

在进行分析时，以扑动角速度的形式对机翼施加载荷，而角速度的获得是通过MATLAB做动力学分析而来的。

其中运动模型采用实验室现有扑翼传动机构，扑动频率为3.5Hz，这样不仅不考虑传动机构产生的振动，也不考虑空气对机翼变形的影响。

因为驱动电机的转动经过曲柄转化为摇杆的摆动，而机翼固结在摇杆上，从而实现了机翼的扑动。

为了得到机翼扑动的角速度数学模型，选择结合动力学分析软件ADAMS对扑动机构进行运动学仿真，得到机角速度的离散值，然后使用MATLAB软件，拟合得出机翼扑动的角速度运动学模型。

因为如果直接用数学推导的办法，列出机翼的扑动规律比较复杂，而随着计算机辅助设计的发展，运用商业化的软件进行运动分析已经越来越广泛。

ADAMS正是这样一种动力学分析软件，该软件由MSC公司开发，这次使用三维建模软件SOLIDWORKS建立扑翼机构的运动模型，并导入ADAMS进行动力学仿真。

值得注意的是，选定一个相位差和挠角后，必须同时针对10个节点的运动规律进行对比，以确保可以客观的描述真实的变形规律。

实际上，节点越靠近转轴，近似前后的相位差越大，这是由近似方法的准确性决定的，另一方面，越靠近转轴，弯曲的幅值越小，对气动力的影响也越小。

而这次实验，忽略了相位差的影响，保证了最外面节点的变化规律同实际情况相符，以至于气动力的误差不至于太大，而具体的误差评价需要试验来支撑。

通过探究微型扑翼飞行器在扑动过程中，惯性力产生的振动变形对气动力的影响，并且针对不同挠角的机翼变形，基于FLUENT做了气动力分析，通过对比来说明这一点。

通过之前建立了翅翼的变形数学模型，将此运动规律编写进UDF(用户自定义函数），通过UDF将运动规律直接施加在机翼上，进行气动力分析，便可以得出各种挠角下机翼的升力系数。

而UDF(User-DefinedFunction，用户自定义函数)，是FLUENT流场分析软件提供的一个用户接口，它可以动态的连接到Flunt求解器上，来提高求解器的使用性能。

所以用户可以通过UDF与FLUENT软件内部数据进行交流，从而扩大了FLUENT标准模块解决问题的范围，并且用户可以通过UDF来自定义材料属性、边界条件等。

并且UDF用C语言来编写，通过DEFINE宏来定义，而UDF中可使用标准C语言的库函数。

也可使用FluentInc.提供的预定义宏，通过这些预定义宏，可以访问Fluent求解器得到的数据，进而完成所设计的任务。

UDF使用时可以被当作解释型(interpret函数或编译型(compile)函数，而解释型函数在运行时直接被加载并解释执行。

对于编译型UDF，在使用时，需分为两步，一是被编译，即建立共享的目标代码库，二是Fluent连接这个目标代码库。

而解释型UDF比较简单，计算机中不必有C语言的编译环境，它与计算机结构和平台是相互独立的。

但是运行速度比较慢，不能链接其他用户库或编译系统，只支持部分C语言功能，不能使用goto语句、函数指针等功能，所以一般用于简单的对速度没有高要求的问题中。

编译型UDF执行起来较快，可以使用所有C语言的功能，源代码不受限，但是计算机中必须有编译环境，即装有C编译器，设置和使用较为麻烦，一用于复杂问题中。

使用UDP来定义动网格运动，所使用的UDF全部为编译型。UDF被编译后，FLUENT图形界面里就会显示出UDF中用户设定的名字，在相应对话框中选择这个自定义的函数将其连接到求解器中。

通过介绍微型扑翼飞行器的基本概念、技术挑战、研究方法以及气动力分析，了解了微型扑翼飞行器是一种仿生学原理的飞行器。

可在军事和民用领域广泛应用，该技术领域涵盖多学科，需要解决升力、推力、振动等复杂问题。

研究方法包括数值模拟和实验，其中计算流体力学（CFD）的应用非常重要，而CFD通过数值模拟飞行器的气动力学特性，可有效减少实际试验的需求。

同时还提到了用户自定义函数（UDF）的使用，以模拟机翼的变形对气动力的影响，虽然研究微型扑翼飞行器涉及复杂的工程和科学问题，但具有广泛的应用前景。