极小昆虫翅膀拍动模式的气动特性实验研究

不同于较大的昆虫(如熊蜂、果蝇和鹰蛾等,飞行雷诺数Re>100),极小昆虫(如丽蚜小蜂、西花蓟马和瘿蚊等,Re<100)的翅膀采用更复杂的三自由度拍动形式,对应特殊的非定常高升力机制——“划桨”机制;同时,微小型飞行器(MAV)的飞行雷诺数较高(Re=10~3~10~5),其任务环境复杂多变,当MAV面对超载荷或高机动任务时,利用极小昆虫翅膀拍动模式飞行或许可以作为一种新的解决方案.为了深入理解MAV雷诺数下极小昆虫翅膀拍动模式的气动特性,基于三自由度拍动翅膀模型实验(包括直接测力和染色液流动显示,Re=3.9×10^(3)~1.0×10^(4))对3种典型极小昆虫(丽蚜小蜂、西花蓟马和瘿蚊)悬停飞行状态下翅膀拍动模式的气动力特性进行研究.发现在上挥(upstroke)阶段初期,即“划桨(rowing)”阶段,翅膀受到的铅垂升力急剧增大;在所考虑的雷诺数范围内,翅膀在整个上挥阶段的平均铅垂升力系数(大于3.1,丽蚜小蜂)明显大于较大昆虫翅膀拍动模式下获得的铅垂升力系数(1.5~2.0).同时,观察到在“划桨”阶段初期,翅膀的前缘和后缘产生一对旋转方向相反的旋涡;进入“划桨”阶段中末期,后缘旋涡脱落,但是前缘旋涡始终附着.这表明在MAV雷诺数下,翅膀上挥过程中的高升力产生机制为“延迟失速机制”,而不是极低雷诺数下的“划桨机制”.此外,发现在翅膀上挥下拍冲程交替即“打开(fling)”阶段,其高升力机制仍然是“打开机制”;然而,也注意到雷诺数效应和双翅效应对“打开”阶段的气动力影响很大.