仿生扑翼飞行机理的分析研究与技术发展

徐州工程学院学报２００７年第４期膀各个部分的协调动作来产生有效的升力和前进力．

图１

鸟类内翼模型剖面图Ｆｉｇ．１Ｓｅｃｔｉｏｎｐｌａｎｅｏｆｉｎｎｅｒｗｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｂｉｒｄｓ

１．２昆虫飞行机理

昆虫的翅膀是类似的平面薄体结构，不能伸缩变形，不具滑翔能力，与鸟类的飞行相比有着本质的区别，只能通过高频振动和灵巧的扑翅运动产生足够升力．Ｗｏｏｔｏｎ认为昆虫飞行能力和飞行技巧的多样性大半来自于翅型多样性和微妙复杂的翅运动模式［１］．其翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运动，会产生不同于周围大气的局部不稳定气流，这种非定常空气动力学效应是研究和理解昆虫和小鸟飞行机理及其空气动力学特性进而实现仿生飞行的重要基础．随着对非定常流理论认识的加深，研究者们开始探讨非定常效应在昆虫飞行升力产生中发挥的重要作用，并采用非定常空气动力学理论解释昆虫飞行的机理．

分析表明，昆虫一个周期内的扑动大体可分解为四个阶段：翅膀在上扑至顶点时翅膀旋转、下扑、下扑至最低点时翅膀旋转、上扑，图２为蜂鸟悬停飞行时的扑翼轨迹．通过探索各个运动中所涉及到的空气动力学理论，可得到几种比较具有代表性的解释昆虫扑翼产生升力的机理．

图２蜂鸟扑翅过程

Ｆｉｇ．２Ｆｌａｐｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｏｏｄｎｙｍｐｈ

图３合拢与分开机制Ｆｉｇ．３Ｃｌａｐ—Ｆｌｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ１．２．１合拢与分开（Ｃｌａｐ－－Ｆｌｉｎｇ）

１９７３年，Ｗｅｉｓ—Ｆｏｇｈ通过观察小黄蜂生物资料，并在仔细研究了昆虫振翅飞行生物学资料的基础上，提出了拍飞（Ｃｌａｐ－－Ｆｌｉｎｇ）机理［２］．

拍飞机理可通过图３所示的模型来解释，两翅前缘在顶点处合拢，然后两翅逐渐旋转并从前缘处分开，这时两翅问夹角增大，空气流入两翅空隙中，随着两翅间夹角增大，空气流动使得翅周围形成两个旋转涡，翅表面很快形成环流．当两翅张开到一定角度时，两翅分开，各自平动，这时两翅表面各有一个边界涡，使得下拍开始时产生尽可能大的升力．该机理可以解释一部分小型昆虫产生大升力的原因，但不适用于所有昆虫，没能从根本上揭开昆虫高升力的奥秘，却促使人们真正开始用非定常效应来解释昆虫的飞行．

１．２．２延时失速（ＤｅｌａｙｅｄＳｔａｌｌ）

随着流体实验技术的完善，人们开始观察吊飞昆虫的翅尖轨迹及其翅膀周围的流场，发现在下拍过程中·２８·

端义霞，等：仿牛扑翼飞行机理的分析研究与技术发展

翅前缘产生分离的流场，称为前缘涡（ＬＥＶ），见图４．涡快速转动，造成翅上方低压，从而产生较大的升力；涡逐渐由前缘向后缘流去，升力就会迅速减小．

图４下拍过程中的前缘涡

Ｆｉｇ．４Ｌｅａｄｉｎｇ－－ｅｄｇｅ

ｖｏｒｔｅｘｅｓｐｒｏｄｕｃｅｄ图５上拍产生新的前缘涡Ｆｉｇ．５Ｎｅｗｌｅａｄｉｎｇ－－ｅｄｇｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｏｗｎｓｔｒｏｋｅｂｙｕｐｓｔｒｏｋｅ

如果前缘涡流出，失速现象将会发生．实际卜，在一个扑动周期结束前缘涡脱落时，下一周期翅膀旋转后上拍又将产生新的前缘涡，见图５．１９９６年，英国剑桥大学的Ｅｌｌｉｎｇｔｏｎ等通过对飞蛾动态比例模型的流体观察实验研究‘３“ｉ，发现翅前缘背面产生的前缘涡在昆虫翅膀下拍得整个平动过程中都不脱落，使高升力得以保持，从而揭示了延时失速（ＤｅｌａｙｅｄＳｔａｌｌ）机理．

１．２．３旋转环流（ＲｏｔａｔｉｏｎａｌＣｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）和尾流捕获（ＷａｋｅＣａｐｔｕｒｅ）

１９９９年，美国加州大学伯克利分校的Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ等为了能进一步解释昆虫产生大升力的机理，用果蝇翅的比例放大模型进行了实验研究口］，发现在翅上拍和下拍过程的开始时刻和结束时刻，分别有一个升力峰．这样，Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ将昆虫的翅拍动周期分为四个部分，两个平动部分（上拍和下拍）和两个转动部分（翅翻转），并认为昆虫飞行的高升力是通过“延迟失速”，“旋转环流”（Ｒｏｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）和“尾流捕获”（ｗａｋｅｃａｐｔｕｒｅ）三个机理相互作用获得的．“延迟失速”是翅平动时产生升力的机理，“旋转环流”和“尾流捕获”则是翅转动时产生升力的机理［５１：．

旋转环流产生升力的机制可用马格纳斯效应（Ｍａｇｎｕｓｅｆｆｅｃｔ）阐述．翅膀在流体中同时作平动和转动，将产生类似于棒球旋转的马格纳斯效应。８ｊ．翅膀按图６所示方向平动和转动时，空气沿平动相反方向流过，翅膀上表面流速大于下表面，使得上部压强小于下部压强，翅膀产生向上的升力．

平动ｖ转动＋平动

图６

昆虫翅膀的旋转环流机制Ｆｉｇ．６Ｒｏｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｉｎｓｅｃｔ’Ｓｆｌｙｉｎｇ

尾流捕获机理是由翅回拍造成的．翅在下拍或上拍的初始时刻，遇到了上个上拍或下拍结束时刻损失的能量形式，形成尾流，增大了翅与流体的相对速度．此时，尾流在瞬间增大了昆虫的升力，从而产生了一个升力峰‘…．

ＳｒｙｇｌｅｙＲＢＣｌ０］等还提出昆虫在飞行过程中。并不是始终采用某一种或某几种机理，而是根据气流的状态和飞行的方式，采用不同的非定常机理来获得升力．

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仿生扑翼飞行机理的分析研究与技术发展

作者：端义霞， 周骥平， 朱兴龙， DUAN Yi-xia， ZHOU Ji-ping， ZHU Xing-long

作者单位：扬州大学,江苏,徐州,225009

刊名：

徐州工程学院学报

英文刊名：XUZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

年，卷(期)：2007,22(4)

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