模型翼拍动中动态柔性变形效应的数值研究

利用数值求解二维不可压缩Navier-Stokes方程,研究了在两种拍动基元运动中,模型翼动态柔性变形对其气动性能的影响.由柔性翼和刚性翼的结果比较发现,附加惯性效应是动态变形影响气动性能的主要原因,变形加速率决定了瞬时气动性能改变量的大小,相比之下,动态变形对气动性能时均值的影响则弱得多.

蜻蜓拍翼前飞中模型翼动态柔性变形的气动效应研究

根据蜻蜓拍翼前飞激发的流场具有St 1/Re的特点,在理论模化框架下,采用势流假设,用二维变形体前、后缘脱涡的面元法研究了前飞模型蜻蜓翼在周期性拍动中动态柔性变形引起的气动力响应.通过比较柔性模型翼和刚性模型翼气动力随时间的变化,发现在下拍行程中动态柔性变形显著地提高了升力和推力;值得注意的是,蜻蜓前飞时,翼的实际柔性变形幅值恰处于一个最佳范围内,它大幅地提高了升力,同时使消耗的气动功率趋近于最低,有利于蜻蜓维持前飞状态.

昆虫翼拍动中受载变形的粘弹性本构模型

昆虫翼拍动受载时发生被动变形,被看作为有助于改善飞行性能的机制之一.决定这种被动变形大小的一个关键因素是昆虫翼的材料本构关系,至今缺乏研究.基于蜻蜓翼(离体)的应力松弛实验和模型翼拍动时受载变形的有限元数值分析,揭示了粘弹性本构关系是昆虫翼材料性能的合理描述,并研究了粘弹性参数对被动变形的影响.

粘弹性蜻蜓型翼挥拍的流固耦合求解途径初探

昆虫翼挥拍时的动态变形与受到的惯性力和气动力是相互影响的，这是一个复杂的流固耦合过程，本文利用简化的非定常气动力估算方法、简化的昆虫翼结构模型和简化的拍动方式，对该问题的耦合求解途径做了初次探索。首先，在比较了昆虫翼拍动中受到的惯性力和气动力大小的基础上，阐明了耦合求解蜻蜓翼变形过程的必要性。其次，提出一个迭代求解该耦合问题的简化方案，并利用有限元数值模拟了粘弹性蜻蜓模型翼绕定轴往复挥拍的变形过程，比较了耦合气动力前后的模型翼变形，并初步分析了能耗变化。

鲫鱼皮肤和肌肉的力学性能研究

鱼在水中游动时,参与鱼体弯曲变形的组织和器官与水媒介相互作用,形成了不同的游动模式和变形方式。为了更好地理解鱼体变形机制并为今后的流固耦合计算提供基础实验数据,本文采用万能试验机进行单轴拉伸试验,对鲫鱼皮肤和肌肉等生物材料的力学性能进行研究。通过破坏实验的方式确定其杨氏模量,通过松弛实验的方式确定其归一化松弛函数。针对皮肤和肌肉的生物材料粘弹性性质,给出本构方程。通过简化为标准线性固体模型进行讨论,得到的结论是:鲫鱼游动过程中以很小的能量损耗为代价,增加了其有效刚度。

矩形平板典型非定常拍动的三维效应

用三维非定常面元法研究了不同展弦比矩形平板拍动的非定常气动响应.通过对矩形平板沉浮和俯仰2种基元运动的三维效应分析,得到如下结论:矩形平板非定常运动中,附加惯性效应影响了升力的瞬时值,其幅值随着展弦比的降低而减小,但时均值总为零;尾缘涡和侧缘涡作用是平均升力的来源,因矩形板在一个拍动周期内流向涡的方向发生改变,涡致升力的三维效应会随拍动非定常性增强而减弱.

肌电测量技术和鲫鱼C形起动过程中肌电信号测量初探

鱼在水中游动时,骨骼肌在中枢神经系统的控制下进行主动收缩,将力和位移传递给鳍和皮肤等执行器官,再通过执行器官与水进行力的相互作用和能量的交换后推动鱼体自身运动。为研究鱼在不同运动过程中肌肉活动的方式与强度,本文引进肌电图测量术(EMG)。将表面绝缘的不锈钢探针植入鲫鱼的红肌内,肌电信号通过自主设计制作的肌电放大器放大,由计算机记录,用以表征鲫鱼在C形起动过程中转弯一侧的红肌活动的持续时间及强度。本文着重阐述了肌电测量技术,肌电实验的手术操作过程,并通过对肌电信号的测量结果进行定量分析,得到了鲫鱼C形起动过程中转弯侧红肌基本同时开始活动,其活动时间大致相同,以及躯体前端红肌活动最为剧烈的结论。

高瑞利数下水平自然热对流的幂律关系

采用数值模拟方法,研究了高度和宽度比为1∶10的狭长矩形腔内的水平自然热对流.根据对瑞利数(Rayleigh数)Ra在104<Ra<1011内情形的计算结果,将流动分为三个不同的区间:线性区、连续过渡区、1/5次幂律区.虽然流量和努塞尔数(Nusselt数)Nu随瑞利数的变化都包括了三个参数演化区间,但从一个区间到另外一个参数区间的转变时并不是同步的,其中努塞尔数的转变总是超前流量的转变.对比前人的研究发现,流量1/3次幂律的结果是由于瑞利数不够高所致.此外,模拟结果也表明Siggers等的理论分析过高估计了热通量强度,实际的温度边界层内努塞尔数和瑞利数为1/5次幂律关系.