弹性拍翼悬停时的流固耦合效应

简介

自然界中的昆虫和鸟类大都采用拍翼飞行的策略,其优越的气动表现使拍动飞行方式备受关注.值得注意的是,拍动飞行昆虫和鸟类在实现高机动性的同时,产生的噪音并不十分显著.因此,对拍翼飞行的流固声耦合问题进行研究,揭示其飞行动力学和声学特性,对于应用这类飞行技术具有重要的指导意义.文章采用一种浸入边界法对拍翼悬停时的流固声耦合问题进行数值模拟研究.具体针对刚性拍翼和不同刚度、质量比的柔性拍翼进行了数值模拟,分析了拍翼刚度和质量比对拍翼悬停时的升力和声学特性的影响.结果表明拍翼的转动能有效增加升力,提高效率并降低拍翼运动产生的声音;同时悬停拍翼的近场声受涡的影响明显,尤其是在较大的转动角度时;引入适当的弹性可有效提高拍翼在悬停时的气动表现,包括提高升力系数和效率;综合考虑气动和声学表现,可以看出当无量纲拍动频率在0.3~0.4时,低质量的拍翼(拍翼-流体质量比为1.0)产生的声音较小,同时又具备较高的效率.