翼型对扑翼气动性能的影响及仿生设计对FWA的重要性研究

仿生智能与机器人1（2021）100004翼型对扑翼气动性能的影响赵敏a，邹耀a，傅强a，何伟a，b，刘强a北京科技大学自动化与电气工程学院，北京100083b北京科技大学人工智能研究所，北京100083A R T I C L E I N F O保留字：气动性能翼型外倾角FISCOMSOLA B S T R A C T扑翼飞机（Flapping-wing Aircraft，FWA）是一种模仿鸟类、蝙蝠和昆虫等自然飞行者的飞行模式。 对于大型鸟动扑翼飞行器，翼型参数的设计至关重要来改善空气动力学性能。为了研究弯度对气动特性的影响，我们开发了四种不同的翼型，弦长为12厘米。 翼型弯度分别为30 mm、25 mm、20 mm和15 mm，采用COMSOLMultiphysics软件中的流固耦合模块，对翼型弯度对气动性能的影响进行了数值研究。在这项工作中，流体结构模块采用Navier-Stokes方程耦合固体应力应变物理模块和移动网格模块。三维扑翼建立了不同弯度的机翼计算模型。结果表明，一定的翼型弯度可以改善扑翼的气动特性。1. 介绍扑翼飞行是鸟类、蝙蝠和昆虫等自然飞行者常用的飞行方式。FWA是一种模仿飞行生物飞行模式的新型飞行器，通过扑动翅膀产生升力和推力FWA具有灵活性强、机动性强、能量利用率高等独特优势，在军事和民用领域都有潜在的应用前景[1]。经过数百万年的进化，鸟类拥有卓越的飞行特性。通过对自然界中鸟类的观察，我们可以发现，大的翅膀可以产生更高的升力，长而窄的翅膀可以实现长距离滑翔。良好的飞行性能主要取决于机翼的羽毛结构和形状，特别是翼型，它是关系到升力产生的关键因素。因此，翼型的仿生设计对FWA的气动性能有着重要的影响。近年来，随着MEMS、3D打印、智能材料和仿生学的快速发展，扑翼的研究取得了长足的进步，如哈佛大学的RoboBee系列[ 2 - 4 ]、代尔夫特大学的Delfly系列[ 5，6 ]、建国大学的KUBeetle系列[ 7 - 9 ]和费斯托的SmartBird [ 10 ]等，这些扑翼的尺寸和结构各不相同，而扑翼的气动特性研究较少。与鸟类、昆虫和蝙蝠的飞行相比，人造扑翼显然不是最佳结构。传统的基于固定翼和旋转翼飞行模式的空气动力学难以解释扑翼的增升机理。为了提高扑翼的性能，许多研究者致力于扑翼结构的优化[11]。与传统的固定翼和旋翼相比，扑翼具有一些独特的气动优势。 然而，建模和控制比传统飞行器更困难[12，13在扑翼飞行中，升力和推力都是由扑翼同时产生的。对于FWA系统，最重要的子系统是扑翼。为了找到最有效的扑翼，提供了许多流动模拟方法和实验方案[14]。扑翼飞行过程中流体与机翼结构之间存在着复杂的相互作用机理。FWA的气动特性主要由机翼面积、扑动频率、翼型形状、攻角等因素决定，由于机翼结构和材料特性的差异，FWA的气动特性与自然界中的同类产品有着显著的差异。在2D翼型情况下，许多研究使用计算流体动力学（CFD）分析来研究低雷诺数气流中的扑动[15 Wang等人[18]使用基于重叠网格技术的瞬态数值方法，重点研究了扑翼装置动力提取效率的翼型轨迹。 Lang等人[19]采用计算流体动力学方法研究了猫头鹰状翼型的空气动力学特性。在3D扑翼情况下，Yang等人[20，21]专注于开发适用于扑翼空气动力学模拟的三维非定常Navier-Stokes求解器。年小等[22]实验分析了不同翼型厚度的扑翼性能的差异。在以前的文献中，模拟中采用的大多数2D或3D模型是∗ 通讯作者： 北 京 科 技 大 学 自动化与电气工程学 院 ，北京100083。电子邮件地址：b20170305@xs.ustb.edu.cn（M.赵），zouyao20@126.com（Y.Zou），fq_vision@126.com（Q.Fu），weihe@ieee.org（W.He）。https://doi.org/10.1016/j.birob.2021.1000042021年5月11日网上发售2667-3797/©2021作者。由Elsevier B.V.代表山东大学出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表仿生智能与机器人学期刊主页：www.elsevier.com/locate/birobM. Zhao，Y.邹角，澳-地Fu等仿生智能与机器人1（2021）1000042Fig. 1. 不同翼型的示意图。仍然是NACA系列翼型，与自然鸟类的翅膀仍有很大的不同。虽然越来越多的研究开始关注翼型的空气动力学，但很少有人解释翼型和扑翼之间的关系。为了弄清楚翼型对扑翼的影响，我们试图找到最好的机翼弧度灵感来自鸟类。本文采用分区流固耦合方法数值研究了翼型对翼型气动性能的影响。 我们提出了四个扑翼与不同的翼型研究扑翼表面的气动特性通过三维CFD仿真验证了曲面对气动力的影响。通过对仿真结果的比较，给出了最佳的拱度。2. 数值模拟2.1. 模型鸟类和昆虫都具有良好的飞行能力，但扑翼的结构和形状不同。鸟类的翅膀相对较厚，经常表现出一定的弧度，这对它的飞行性能有很大影响。为了研究弯度对气动特性的影响，我们以鸟类为灵感，开发了四种不同的翼型，如图1所示。弦长为120 mm的四种翼型具有不同的弯度。受Shkarayev S [23]的启发，我们将弯度定义为从翼型最高点到翼弦的距离，其中<$1= 30 mm，<$2= 25 mm，<$3= 20 mm，<$4= 15 mm。在下面的工作中，我们将建立基于2D翼型的3D仿真模型基于COMSOL Multiphysics软件，对不同扑翼方式进行了数值模拟。首先导入机翼的三维几何形状，然后建立一个立方体风洞作为周围边界。隧道试验段取1.26 m*1.26 m。隧道长度取1.8米。扑翼模型作为试验对象放置在试验段的中心，如图所示。二、考虑到计算时间和精度，我们选择细网格作为网格尺寸。Comsol仿真构形过程包括：（1）输入机翼膜坐标数据;（2）图二. 不同的扑翼模型。M. Zhao，Y.邹角，澳-地Fu等仿生智能与机器人1（2021）1000043���������+32图三. 不同频率下的升力图。将机翼沿翼展轴线旋转成倾斜角度;（3）构建风洞;（4）选择风洞和扑翼材料;（5）设置空气作为风洞的空间材料(6)输入扑翼材料参数;（7）设置扑翼表1机翼和流体的材料特性属性值杨氏机翼作为线弹性材料;（8）配置风洞入口泊松3和风速;（9）配置风洞出口;（10）配置前缘的固定约束（L.E.）（11）为扑翼前缘配置预定的时变位移函数;（12）初始化网格配置;(13)构造扑翼的三角形网格;（14）扫描整个扑翼;（15）启动转换;（16）构造四面体网格;（17）配置网格尺寸的精细度;（18）完成配置并启动有限元计算。2.2. 方法COMSOL Multiphysics是一个有限元法（FEM）软件机翼密度1380 kg/m动态粘度1.8e−5 Pa s流体密度1.29 kg/m3考虑到机翼周围的流动是可压缩的，求解器所使用的方程是如下所述的Navier-Stokes方程：���������������������������������������������������������=[−+（+（））−2���������������������������������������（）] +（1）������������������������包，特别是处理耦合现象，或多物理问题。它的流固耦合（FSI）计算能力不仅可以模拟扑翼周围的非定常、动边界流场，而且可以预测由于气动弹性效应而产生的可变形翼面轮廓。扑翼产生的非定常气动力研究是我们理解扑翼与流体相互作用的重要一步。机翼的扑动运动是通过定义位移函数。在计算流体动力学（CFD）模块中使用FSI物理解决数值问题。各部件的材料特性如表1所示。在虚拟风洞中研究了不同扑翼的气动性能. 三维计算扑翼的非定常气动力������+ ∇⋅ (���������������������)= 0 (2)������2������������������ +=（3）������������式中，表示流体的速度;表示固体的变形矢量;表示静水压力;表示应力张量;表示单位张量;表示外力矢量;表示流体的密度和粘度。������������������������������������������������流体动力学中的一个基本参数是雷诺数（Re），其定义如下，用于识别流体流动的特性和形式���UL机翼的数值求解���= 中国（4）M. Zhao，Y.邹角，澳-地Fu等仿生智能与机器人1（2021）1000044见图4。 不同频率下的推力图。图五. 不同频率下的平均力值。其中U是流体速度的大小，L是物体的代表性长度。对于本研究中所使用的扑翼，我们给定风速U = 5m，弦长L = 0.12m。3. 结果和分析对扑翼模型进行了时间相关求解，预测了扑翼的气动力。在扑翼模型的情况下，有两个角度参数，一个是倾斜角，另一个是冲程角。倾斜角度参数设置为20度，行程角度设置为30度。模拟是用不同的频率从1.5 Hz至3 Hz，间隔为0.5 Hz。我们的目标是找出最佳的扑翼弯度，使最大的气动力是可以实现的。绘制了升力、推力等气动力随时间的变化曲线。本文仅给出了20 mm拱度扑翼的升力曲线，升力随时间的变化如图所示。3.推力随时间的变化如图所示。四、仿真结果表明，当扑翼被激活时，风洞中的气流 不稳定，相应的升力和推力是混乱的。为了直观地显示气动力和弯度之间的关系，计算了平均升力和推力。 不同频率下的平均升力和推力如图所示。五、不同弯度的平均升力和推力如图所示。第六章在图5中，我们可以观察到平均升力随频率增加，并且具有20 mm弧度的扑翼获得最大的平均升力M. Zhao，Y.邹角，澳-地Fu等仿生智能与机器人1（2021）1000045见图6。 不同外倾角的平均力值。米.到但我们可以发现，四个扑翼的平均推力只有很小的差距。图6，我们可以观察到，20毫米是最佳外倾角，平均升力随外倾角的增大而减小。同样，外倾角对推力的影响也不明显。 总之，扑翼的弯度对扑翼的气动性能有着重要的影响，适当的弯度可以明显提高扑翼的升力。在本文中，我们只考虑上下拍动。也许上下拍打的运动对推力的产生4. 结论扑翼在仿生飞行中起着重要的作用。 然而，FWA机翼在性质上与其对应物仍有很大差距。本文在分析了现有文献资料的基础上， 分析了弯度对气动性能的影响。建立了15 mm、20 mm、25 mm和30 mm四种不同弯度的扑翼模型，分析比较了不同弯度扑翼的气动性能。 根据仿真结果，我们可以得出，扑翼的曲率为20毫米是最佳的。所得数据可为扑翼的设计提供参考。在最终的设计中，扑翼结构选用20 mm的弯度。同时，我们将在今后的工作中进行风洞实验，以验证我们设计竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作附录A. 补充数据与 本 文 相 关 的 补 充 材 料 可 以 在 网 上 找 到上https://doi.org/10.1016/j.birob.2021.100004。引用[1]X.谭，W。Zhang，X. Ke等人，微型扑翼飞行器的研制在亚洲，在：第10届世界智能控制与自动化大会，IEEE，2012年，第10页。3939-3942.[2]启彦Ma，P. Chirarattananon，S.B. Fuller等人，受控飞行的生物启发，昆虫规模的机器人，科学340（6132）（2013）603-607。[3]Y. Chen，H. Wang，E.F. Helbling等人，一个生物启发，扑翼，混合空中水生微型机器人，科学。机器人2（11）（2017）eaao 5619.[4] Y. Chen，H. Zhao，J.Mao等人，由柔软的人造肌肉提供动力的微型机器人的受控飞行，自然575（7782）（2019）324-329。[5]A.E. Holness，H.A. 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