【畢業(yè)學(xué)位論文】昆蟲飛行軌跡測(cè)量及模擬-工程熱物理

密級(jí) 學(xué)校代碼 80149 編號(hào) 學(xué)號(hào) 200328014904281 中國(guó)科學(xué)院研究生院 碩士學(xué)位論文 昆蟲飛行軌跡測(cè)量及模擬 趙創(chuàng)新 指導(dǎo)教師 徐進(jìn)良 研究員 博士 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩士 學(xué)科專業(yè)名稱 工程熱物理論文提交日期 2006 論文答辯日期 2006 培養(yǎng)單位 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所學(xué)位授予單位 中國(guó)科學(xué)院研究生院答辯委員會(huì)主席 要 本文從昆蟲活體自由飛行光學(xué)測(cè)量，基于有限容積法的 程數(shù)值求解，以及建立機(jī)械模型翅膀測(cè)量流暢結(jié)構(gòu)三個(gè)方面對(duì)昆蟲飛行的空間運(yùn)動(dòng)軌跡和排動(dòng)模式及其引起的的氣動(dòng)參數(shù)和流暢結(jié)構(gòu)不同作了研究。 (1) 研究昆蟲飛行的三維空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)需要對(duì)二維圖像進(jìn)行重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的重構(gòu)方法是采用兩個(gè)或者多個(gè)相機(jī)從不同角度拍攝以獲得同時(shí)刻不同角度的圖像。本文介紹了一種采用單一相機(jī)完成三維重構(gòu)的方法。通過在單相機(jī)鏡頭前面附加四塊兩兩平行的平面鏡組來獲得三維信息， 該裝置可以在同一照片上獲得物體兩個(gè)角度的觀察圖像，等效于用兩個(gè)高速攝影儀對(duì)昆蟲的飛行進(jìn)行拍攝。分別標(biāo)定出每個(gè)等效攝像機(jī)的參數(shù)，根據(jù)機(jī)器視覺原理進(jìn)行三維重構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了用單個(gè)相機(jī)完成昆蟲自由飛行狀態(tài)的翅膀三維參數(shù)重構(gòu)過程， 避免采用多個(gè)相機(jī)的需要增加復(fù)雜同步電路以及引起的高額費(fèi)用， 同事也克服了過去基于單相機(jī)的三維重構(gòu)需要增加某些假設(shè)所引起的與真實(shí)飛行的差異。 (2) 通過數(shù)值求解 比了直線拍動(dòng)、橢圓拍動(dòng)、 “8”字拍動(dòng)和雙 “8”下的受力特性。結(jié)果表明不同拍動(dòng)軌跡下升阻力曲線的一個(gè)共同特征：下拍階段主要提供升力，上提階段主要提供推力；幾種拍動(dòng)軌跡下的最大升力系數(shù)峰值都超過了 5， “8”字和雙 “8”字拍動(dòng)甚至超過了 6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過穩(wěn)態(tài)下的最大升力值 1；相對(duì)于直線拍動(dòng)軌跡 (無橫向偏移量 )，橢圓型軌跡和雙 “8”字型軌跡均導(dǎo)致升力的降低，而 “8”字型拍動(dòng)軌跡下的升力和推力卻得到明顯提高。 (3) 通過對(duì)模型在不同的轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置下旋轉(zhuǎn)引起的流暢結(jié)構(gòu)變化的 理，證實(shí)了數(shù)值計(jì)算的結(jié)果 關(guān)鍵詞：昆蟲，流體力學(xué)，光學(xué)測(cè)量，數(shù)值模擬he of in D of D or to at in In a By a of a on is to be D of s by of of of of 88, . It is of 8of 8 in It is to At a to IV to 錄 錄 摘 要 . . 錄 .一章 緒論 . 言 .體實(shí)驗(yàn) . 形態(tài)參數(shù)測(cè)量 . 活體流場(chǎng)觀測(cè) .型實(shí)驗(yàn) . 量綱分析 . 模型流場(chǎng)觀測(cè) .體模型結(jié)合 .論 .課題的研究?jī)?nèi)容 .二章 活體自由飛行參數(shù)的觀測(cè) .言 .驗(yàn)裝置與方法 . 實(shí)驗(yàn)活體 . 實(shí)驗(yàn)裝置及原理 . 相機(jī)模型 . 相機(jī)標(biāo)定以及三維重構(gòu) . 特征點(diǎn)識(shí)別 .國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所碩士學(xué)位論文 果和討論 . 圖像分析 . 輪廓識(shí)別 . 誤差分析 . 與兩個(gè)相機(jī)的比較 . 轉(zhuǎn)彎過程兩翅膀拍動(dòng)頻率 . 運(yùn)動(dòng)圖像 . 翅膀尖運(yùn)動(dòng)軌跡 . 振幅 . 翅膀不對(duì)稱拍動(dòng)分析 .論 .三章 數(shù)值模擬 .言 .題描述 .制方程及求解 .始條件和邊界條件 .算可信性驗(yàn)證 .果與討論 . 一個(gè)典型算例的分析 . 幾種主要參數(shù)對(duì)升阻力特性的影響 .論 .四章 驗(yàn)?zāi)M .言 .驗(yàn)原理及系統(tǒng) . 量原理 . 錄 統(tǒng)構(gòu)成 . 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) .驗(yàn)結(jié)果 . 轉(zhuǎn)軸的影響 . 有滯留時(shí)間時(shí)的轉(zhuǎn)軸影響影響 .論 .錄I:碩士研究生期間發(fā)表文章 . 謝 .一章 緒論 1第一章 緒論 撲翼飛行是自然界中昆蟲普遍采用的飛行模式， 約有數(shù)百萬種昆蟲采用撲翼飛行1，昆蟲是自然界出現(xiàn)最早，體積最小的飛行者，在經(jīng)歷了 多年的進(jìn)化歷程后2， 昆蟲具備高超的飛行技巧， 飛行使其可以在較大的范圍內(nèi)捕捉食物，并隨季節(jié)遷移。許多昆蟲可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的飛行動(dòng)作，甚至利用空中的飛行特技來捕捉獵物或進(jìn)行交配等3。 近百年來，對(duì)于昆蟲如何控制飛行動(dòng)作來達(dá)到如此高超的飛行技巧，科學(xué)家們致力于通過研究昆蟲翅膀的拍動(dòng)軌跡、拍動(dòng)頻率、翅膀周圍空氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及其翅膀尺度和能量消耗等來揭示其飛行的空氣 動(dòng)力學(xué)原理。特別是由于近年來念的提出， 更加有力地推動(dòng)了昆蟲飛行中流體力學(xué)問題的研究。特別是 未來軍、民兩方面均有廣闊的應(yīng)用前景，近年來科學(xué)家們通過揭示昆蟲的飛行機(jī)理來為 設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 昆蟲飛行時(shí)翅膀的 很小，大約在 102，甚至更小，將其翅膀在風(fēng)洞的定常來流條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在此 范圍產(chǎn)生的升力能力很低，例如果蠅翅膀的最大升力系數(shù) ，蜻蜓的只有約 ，這不能平衡昆蟲的自身重量，更不能提供機(jī)動(dòng)飛行的附加氣動(dòng)力，顯然昆蟲是利用非定常流來實(shí)現(xiàn)高升力的7，研究與 尺度的昆蟲的飛行機(jī)制具有著重要的意義。 對(duì)昆蟲飛行機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究有活體實(shí)驗(yàn)、模型實(shí)驗(yàn)和活體模型并用三種方法。活體實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)地反映昆蟲飛行動(dòng)作模式，通過測(cè)量運(yùn)動(dòng)形態(tài)學(xué)參數(shù)來研究其飛行規(guī)律，所以采用活體實(shí)驗(yàn)最能反映客觀的飛行過程。但是由于活體的飛行動(dòng)作隨機(jī)性很大，控制顯得不方便，實(shí)驗(yàn)操作難度也較大。模型實(shí)驗(yàn)是建立在中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所碩士學(xué)位論文 2觀察活體的基礎(chǔ)上，它具有再現(xiàn)性及可測(cè)量參數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)，是普遍采用的一種方法，但模型反應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與真實(shí)的流場(chǎng)存在一定的差距。如果將模型和活體實(shí)驗(yàn)兩者有機(jī)地結(jié)合起來，可以更為準(zhǔn)確地描述昆蟲的飛行狀態(tài)。 體實(shí)驗(yàn) 態(tài)參數(shù)測(cè)量 由于昆蟲小尺度，高頻率拍擊翅膀，通常很難量化其自由飛行過程，例如像普通果蠅的平均尺度大約為 2膀拍擊頻率為 200。再者，昆蟲不能按照人的意志去實(shí)現(xiàn)飛行動(dòng)作。在早期的研究中，人們?yōu)榱双@得飛行參數(shù)，將昆蟲捆綁起來，采用高速攝影分析了包括雙翅目昆蟲和直翅目昆蟲的飛行過程9，后來逐漸開始定量研究翅膀的拍動(dòng)頻率和翅尖的運(yùn)動(dòng)軌跡， 并開展了對(duì)自由飛行昆蟲可視化流場(chǎng)的研究。 圖 黃蜂 ( 制21on 21對(duì)昆蟲飛行機(jī)理作了較早的報(bào)道，通過對(duì)小黃蜂 (行的研究，發(fā)現(xiàn)其具有不同于鳥類產(chǎn)生升力的 振翅運(yùn)動(dòng)形式、啟動(dòng)速度比鳥類快，并提出了 制 (也稱為 制 )，即緊靠在背部的翅膀在前緣繞后緣快速打開的過程中能夠產(chǎn)生瞬時(shí)的高升力。 與普通機(jī)翼產(chǎn)生升力相比，它不存在 應(yīng) (升力產(chǎn)生滯后現(xiàn)象 )，具有很好的機(jī)動(dòng)性能和啟動(dòng)性能。這種飛行機(jī)制在后來的系列文獻(xiàn)報(bào)道10得到了證實(shí)，這是最早提出第一章 緒論 3的昆蟲高升力機(jī)理，圖 1 為小黃蜂的利用 制拍動(dòng)產(chǎn)生高升力的示意圖。 早期對(duì)于活體昆蟲的飛行研究， 多數(shù)是對(duì)捆綁昆蟲的飛行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的。由于捆綁的限制作用，使其與 自由飛行存在一定的差距。 22的研究表明自由飛行的蚱蜢拍打頻率比捆綁的大 16； 3的工作也表明被捆綁的拍擊頻率比自由飛行的小， 這說明對(duì)自由飛行參數(shù)的研究可以避免由于捆綁引起的各種限制。 如何實(shí)現(xiàn)在昆蟲自由飛行狀態(tài)下的實(shí)時(shí)觀察是科學(xué)家們一直努力的方向，在眾多研究中較為突出的是 4,25利用昆蟲對(duì)光線的敏感性 (紫外光可以刺激大黃峰啟動(dòng)并持續(xù)飛行 )，采用斜旋轉(zhuǎn)條紋引導(dǎo)大黃峰作定向飛行，采用高速攝影獲得了不同風(fēng)速下的自由前飛動(dòng)作。飛行速度通過調(diào)節(jié)風(fēng)洞的風(fēng)速來控制， 并基于前飛過程的兩翅膀拍動(dòng)對(duì)稱的假設(shè)下研究前飛過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，包括翅尖的軌跡，身體傾角，展向攻角，拍動(dòng)角，拍動(dòng)結(jié)束時(shí)的旋轉(zhuǎn)角等， 然后在此基礎(chǔ)上計(jì)算了自由前飛過程的升力和功率消耗等一系列參數(shù)。 4,25采用單個(gè)高速攝相機(jī)進(jìn)行拍攝， 并假設(shè)前飛過程兩個(gè)翅膀的拍動(dòng)呈對(duì)稱模式?；谶@個(gè)假設(shè)計(jì)算三維空間的翅膀參數(shù)，然而實(shí)際的前飛過程很難保證對(duì)稱拍動(dòng)，所以這種假設(shè)與真實(shí)的飛行還存在一定的差距。由于昆蟲飛行的隨意性，通常難以準(zhǔn)確描述其空間位置，以及拍攝需要較大的視場(chǎng)，采用多個(gè)攝像機(jī)受到限制?；诖酥鸩桨l(fā)展起來一些基于單個(gè)相機(jī)的測(cè)量方法，5詳細(xì)描述在單個(gè)相機(jī)情況下的三維重構(gòu)方法； 3基于傾斜攝像機(jī)和飛行對(duì)稱的前提下測(cè)量了三維參數(shù)； 6報(bào)道了采用單個(gè)攝像機(jī)的三維重構(gòu)的幾種方法 。然而單個(gè)相機(jī)不能反映深度信息，根據(jù)視覺原理，至少需要兩個(gè)同時(shí)刻的觀測(cè)圖像才可以完成三維重構(gòu)，因而兩個(gè)甚至三個(gè)相機(jī)被用到測(cè)量實(shí)驗(yàn)中。 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所碩士學(xué)位論文 4 7,28采用兩個(gè)相互垂直的相機(jī)拍攝了自由滑行的蜻蜓，重構(gòu)其飛行軌跡等參數(shù)，并假設(shè)空氣是定常流 動(dòng)然后計(jì)算得其翅膀的升阻力；9用兩個(gè)攝像機(jī)拍攝了一雄兩雌三只天蛾 (懸停到前飛速度為 5m/s 的過程，結(jié)果表明前飛速度提高時(shí)拍擊平面角 (拍擊平面與水平面的夾角 )逐漸增大，體角 (身體前后端的連線與水平面的夾角 )的逐漸減小。他們同時(shí)還給出了翅膀的扭轉(zhuǎn)以及翅尖的拍動(dòng)角，計(jì)算了懸停和前飛過程的平均升力系數(shù)，對(duì)由于性別不同，體形不同帶來的力、能量消耗等問題作了量化的分析。多個(gè)相機(jī)的三維重構(gòu)技術(shù)給研究人員提供了三維的空間信息，逐漸發(fā)現(xiàn)一些新的現(xiàn)象，同時(shí)也提出了一些新的飛行機(jī)理。 在對(duì)飛行參數(shù)的測(cè)量研究中，也有其他的方法，例如 0,31將一種麗蠅 (于箱體內(nèi)，采用一種 稱為修正探測(cè)線圈技術(shù)(在其身上加傳感線圈， 通過線圈與周圍的的變頻線圈之間的磁場(chǎng)作用來記錄其身體的傾斜 (扭轉(zhuǎn) (偏航 (自由飛行狀態(tài)下的變化情況。測(cè)量的飛行速度達(dá)到 s，垂直方向、水平方向的加速度分別達(dá)到 10m/0m/大角速度達(dá)到 2000 大角加速度甚至達(dá)到 105 現(xiàn)了自由飛行的測(cè)量。王浩等32、以及曾理江等3334報(bào)道的投影梳裝條紋插值法也是一種成熟的非接觸測(cè)量方法， 他們測(cè)量了自由飛行蜻蜓翅膀拍動(dòng)的許多參數(shù)，并測(cè)量翅膀變形，給出了高精度的自由飛行翅膀變形測(cè)量方法，為研究翅膀柔性變形對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性影響提供了基本測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)也是一種非接觸的自由飛行測(cè)量方法。 以上的測(cè)量多是對(duì)懸?；蚯帮w過程的飛行參數(shù)的測(cè)量， 真實(shí)的飛行過程多數(shù)是機(jī)動(dòng)狀態(tài)，機(jī)動(dòng)飛行是最常見的、最復(fù)雜的飛行模式，直到近來， 35采用三個(gè)攝像機(jī)觀察了自由飛行果蠅的急速轉(zhuǎn) 彎過程才在真正意義上實(shí)現(xiàn)了機(jī)動(dòng)飛行的參數(shù)測(cè)量，給出了急速轉(zhuǎn)彎過程中兩翅膀不對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。 第一章 緒論 5以上這些的測(cè)量方法已經(jīng)基本滿足了對(duì)飛行昆蟲翅膀參數(shù)的測(cè)量要求， 并已經(jīng)能夠測(cè)量出不同的昆蟲的不同飛行狀態(tài)下的形態(tài)學(xué)參數(shù)。 體流場(chǎng)觀測(cè) 昆蟲飛行的氣動(dòng)力來源于空氣對(duì)其翅膀的反作用力， 由于翅膀的拍動(dòng)所引起翅膀周圍空氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)也就深受關(guān)注。翅膀的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)產(chǎn)生了渦，有前緣渦，尾跡渦等。人們較為感興趣的是渦的形成過程、在整個(gè)拍動(dòng)過程的發(fā)展情況以及三維空間結(jié)構(gòu)。非接觸測(cè)量的 術(shù)在流場(chǎng)定量測(cè)量方面得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu) 和動(dòng)力學(xué)性能研究起了重要的作用。 在昆蟲進(jìn)化過程中，一些昆蟲的后翅開始逐漸退化變小，甚至后面兩翅膀不再有飛行能力。 為了觀察由于形態(tài)學(xué)上的不同所引起流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不同， 6在上世紀(jì) 90 年代采用流場(chǎng)可視化的方法重構(gòu)了捆綁飛行的綠草蜻嶺 (翅膀在拍擊過程中的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，該昆蟲有四個(gè)分開的翅膀，可以交互拍擊。 隨后他們又采用同樣的方法報(bào)道了捆綁的蝴蝶等六種昆蟲的尾跡渦結(jié)構(gòu)，并給出了形態(tài)學(xué)上不同的昆蟲飛行所引起的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)37。然而，對(duì)昆蟲飛行的流場(chǎng)觀察并給出非定常機(jī)理解釋最早的是 38對(duì)活體和三維模型的可視化觀察， 他們觀察到了下拍過程中強(qiáng)烈的前緣渦在幾個(gè)弦長(zhǎng)的飛行中并沒有脫落，認(rèn)為是由于動(dòng)態(tài)失速而不是過去所認(rèn)為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦，沿展向的速度梯度穩(wěn)定了前緣渦。但是， 活體的流場(chǎng)觀察沒有能夠清晰地反映出流場(chǎng)特征，不得不借助于模型來復(fù)現(xiàn)流場(chǎng)。隨后 9報(bào)道了用立體攝像和高速攝影重構(gòu)觀察了捆綁的天蛾 (不同飛行速度下的流場(chǎng)變化，觀察顯示前緣渦隨著飛行速度的提高逐漸增大， 后緣渦在上揮接近結(jié)束的時(shí)候形成的微小射流提供了推力。 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所碩士學(xué)位論文 6圖 蝶自由飛行流場(chǎng)結(jié)構(gòu)40of 0 0通過訓(xùn)練一種稱為紅將軍的蝴蝶 (風(fēng)洞中由人造花朵吸引來進(jìn)行自由飛行分析， 利用煙氣可視化獲得其翅膀周圍的流場(chǎng)圖像，實(shí)驗(yàn)表明，自由飛行的蝴蝶利用一系列的非定常激勵(lì)來產(chǎn)生升力。如：尾跡捕獲、旋轉(zhuǎn)升力機(jī)制、 制等，飛行過程中似乎沒有一種定型的飛行模式，而是不時(shí)地在各種機(jī)制之間來調(diào)整變換。才真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)活體自由飛行流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，并解釋其飛行過程所依靠的飛行機(jī)制。此前并沒有文獻(xiàn)解釋旋轉(zhuǎn)升力機(jī)制和尾跡捕獲的關(guān)系。盡管一些文獻(xiàn)38,41,42報(bào)道了基于拍動(dòng)模型的前緣渦結(jié)構(gòu)，但是他們卻有一定的差異，對(duì)流場(chǎng)可視化實(shí)驗(yàn)38,39雖然觀察到了前緣渦，但是卻沒能描述渦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，此外，捆綁也不能反映其真實(shí)的飛行狀態(tài)。 0采用了多個(gè)相機(jī)從不同角度拍攝，重構(gòu)出自由飛行蝴蝶的三維立體非定常流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，得到的照片清晰地顯示出與過去文獻(xiàn)報(bào)道38,41,42所不同的流暢結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。 第一章 緒論 743對(duì)自由飛行蜻蜓的非定常流場(chǎng)結(jié)構(gòu)作了可視化分析，活體實(shí)驗(yàn)表明，蜻蜓模型所反映的拍動(dòng)動(dòng)作和流場(chǎng)難以 實(shí)現(xiàn)活體所具有的自然性和隨機(jī)性。實(shí)現(xiàn)自由飛行測(cè)量成為最為理想的測(cè)量途徑，同時(shí)也是測(cè)量發(fā)展的趨勢(shì)。 活體的流場(chǎng)可視化清晰地反映了昆蟲翅膀周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)， 術(shù)的應(yīng)用量化了流場(chǎng)，但活體實(shí)驗(yàn)不僅控制難度較大，同時(shí)實(shí)驗(yàn)重復(fù)性教差，加上昆蟲飛行的自由性使得飛行狀態(tài)難以確定。 而模型實(shí)驗(yàn)則可以完成活體所缺少的這些方面，同時(shí)可以對(duì)流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。 型實(shí)驗(yàn) 綱分析 相似理論作為模化實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，提供了模型設(shè)計(jì)方法。兩個(gè)相似的現(xiàn)象具有相同的無量綱準(zhǔn)則數(shù)， 所以通過在相同無量綱準(zhǔn)則數(shù)下用模型來重現(xiàn)模擬活體飛行的流場(chǎng)， 可實(shí)現(xiàn)其動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量， 進(jìn)而對(duì)活體的飛行作出預(yù)測(cè)和分析。 量綱分析理論的原理是在因變量和自變量之間建立函數(shù)關(guān)系， 通過把各個(gè)量無量綱化來得到無量綱數(shù)， 只要保證模型和活體的無量綱數(shù)一致就可以得到模型和活體的相似現(xiàn)象， 圖 3 給出部分參數(shù)。 影響撲翼動(dòng)力 F 的量有： 流體的密度 ，流體的粘性系數(shù) ， 流體與昆蟲的相對(duì)速度 u ， 翅膀攻角 ， 翼展 l， 平均弦長(zhǎng)_b ，振幅 A，拍擊頻率 f 。記函數(shù)_(,)= 為氣動(dòng)力和各個(gè)變量量之間的關(guān)系，選取 ，_b ， u 為基本量對(duì)方程進(jìn)行無量綱化如下： 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所碩士學(xué)位論文 8圖 蟲翅膀的幾何參數(shù)8of _2_2(,)12b ( 記 C2_212(1)可以變形為 _1(,) (這里： C 為氣動(dòng)力系數(shù) (可以是升力也可以是阻力系數(shù) )；_表征翅膀的幾何特征；_表征慣性力與粘性力的比值； 征彈性力和慣性力的比；所以只須保證 ，展弦比，拍動(dòng)角，攻角， 這五個(gè)無量綱數(shù)相等，就可以利用模型來模化活體的飛行，并進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的測(cè)量。 型流場(chǎng)觀測(cè) 測(cè)量氣動(dòng)力在翅膀拍動(dòng)過程中隨時(shí)間的依變關(guān)系較為困難， 盡管早期有實(shí)驗(yàn)第一章 緒論 9在活體上測(cè)量，但是測(cè)量的是身體上的受力，而不是翅膀，這就很難區(qū)分身體慣性力和翅膀的氣動(dòng)力8。模型實(shí)驗(yàn)可以通過在模型上布置傳感器來測(cè)量所感興趣的參數(shù)， 同時(shí)模型的可重復(fù)性也是活體所不能相比， 模型研究得到了廣泛的應(yīng)用。在 機(jī)理提出后， 0就通過一個(gè)簡(jiǎn)化的剛性模型，對(duì)兩個(gè)翼板旋轉(zhuǎn)張開分開閉合諸過程進(jìn)行模擬，并根據(jù)二維勢(shì)流理論作出了理論分析，認(rèn)為在昆蟲兩翼在上揮 (束時(shí)候在背部拍擊 (在一起然后快速打開，打開過程中翅膀的前緣繞后緣轉(zhuǎn)動(dòng)張開，空氣被吸入兩翅之間，流體在填充時(shí)產(chǎn)生非常高的速度，使得翅面上方的空氣流 速度加大，下面的變小，根據(jù)理在上下翅面形成壓力差可以產(chǎn)生升力， 并用模型來解釋高升力機(jī)制。42在基于測(cè)量的蜻蜓飛行數(shù)據(jù)用模型實(shí)驗(yàn)，解 釋了小黃蜂的高升力機(jī)制。后來， 1通過剛性機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了 一些基本提法，同時(shí)指出兩翼張開是產(chǎn)生前緣渦的重要作用，前緣渦導(dǎo)致產(chǎn)生更大的升力被 2以及 3等的計(jì)算所證實(shí)。 0的實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了 理，實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的有機(jī)玻璃翼片，并且在水中加了聚苯乙烯粒子采用錄像機(jī)拍攝了流場(chǎng)的變化。通過可視化流場(chǎng)觀察和瞬時(shí)升力的測(cè)定，進(jìn)一步驗(yàn)證 構(gòu)的平均升力系數(shù)高達(dá) 7型試驗(yàn)對(duì) 制的成功解釋，以及它的可重復(fù)性、易測(cè)量性能、加上流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的清晰顯示使得越來越多的研究工作借助于模型試驗(yàn)來驗(yàn)證。 由于只有部分昆蟲的飛行依靠 制，單單依靠 制還不能解釋其他昆蟲的復(fù)雜飛行機(jī)制， 后來的研究開始基于活體觀察的飛行動(dòng)作來建立模型試驗(yàn)，研究不同飛行模式下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)， 4等的模型所作出蜻蜓的特殊飛行姿態(tài)機(jī)理 (升力峰和翅膀旋轉(zhuǎn)的關(guān)系 )也為后來的試驗(yàn)所證實(shí)(41， 45)。在對(duì)于蜻蜓和豆娘的研究中考慮了沿著展向空間和瞬時(shí)的誘導(dǎo)速度，以及基于尾跡的環(huán)量估計(jì)校正，也獲得一定的成功(46， 7， 8)。 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所碩士學(xué)位論文 10早期對(duì)昆蟲模型分析研究限制在遠(yuǎn)場(chǎng)尾跡而非翅膀近場(chǎng)區(qū)域的流動(dòng)現(xiàn)象， 盡管這樣的遠(yuǎn)場(chǎng)模型不能計(jì)算翅膀的瞬時(shí)升力，但是提供了平均升力和能量需求。的漩渦模型 ,可以用流體動(dòng)量變化平衡體重來估計(jì)懸停所需要的平均升力。隨后 ,8， 9,50的研究對(duì)三維機(jī)械翅拍動(dòng)過程的流場(chǎng)觀察得到了與前人工作的不同結(jié) 果，發(fā)現(xiàn)前緣渦穩(wěn)定附著在翅面上。他們?cè)谀Ｐ统嵘嫌^察到的前緣渦與用活體試驗(yàn)的流場(chǎng)結(jié)夠吻合很好，然后對(duì)機(jī)械翅拍動(dòng)過程產(chǎn)生的前緣渦，翅尖渦的脫落等作了詳細(xì)的研究，從漩渦產(chǎn)生的三維尺度變化， 以及從翅基到翅尖的展向流動(dòng)對(duì)前緣渦的影響和沿著翼展方向的渦的空間結(jié)構(gòu)等方面給出了三維測(cè)量參數(shù)。 重構(gòu)了翅膀拍動(dòng)過程的三維流場(chǎng)空間運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，提出展向流動(dòng)使得前緣渦的附著時(shí)間延長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)失速機(jī)制是天蛾懸停過程的升力機(jī)制。 后來 1制作了一個(gè)可以產(chǎn)生類似天蛾尾跡渦環(huán)的活塞，并假設(shè)天蛾在懸停時(shí)候只由下拍提供力來支撐體重，由一個(gè)活塞和套管來產(chǎn)生渦環(huán)，渦環(huán)的大小和頻率與文獻(xiàn)中報(bào)道的天蛾翅膀拍擊頻率一樣，使用術(shù)來分析流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示人造渦環(huán)的發(fā)展經(jīng)過了三個(gè)階段，給出了由最初的層流渦環(huán)逐漸過渡到湍流整個(gè)過程的渦環(huán)的變化， 并給出了受力估計(jì)和校正方法。 在非穩(wěn)態(tài)機(jī)理研究中，一個(gè)較難的問題是如何直接測(cè)量拍動(dòng)翼上產(chǎn)生的力，為了進(jìn)一步探索昆蟲飛行的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)制， 41制作了一個(gè)由六個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的果蠅模型測(cè)量了氣動(dòng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系。 機(jī)械翅在每次劃動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)氣動(dòng)力均產(chǎn)生瞬時(shí)升力峰，延遲失速不能解釋這一現(xiàn)象，這種力的峰值出現(xiàn)在翅減慢且迅速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，認(rèn)為延遲失速、旋轉(zhuǎn)環(huán)量、尾跡捕獲三種機(jī)理在構(gòu)成飛行的主要機(jī)理，圖 4 給出了這三種機(jī)制。延遲失速在拍動(dòng)的平動(dòng)時(shí)刻起作用，翅膀以大攻角在空氣中掠過是尾跡捕獲機(jī)制起作用。旋轉(zhuǎn)環(huán)量和尾跡捕獲分別在翅膀的快速旋轉(zhuǎn)和改變方向的時(shí)候起作用，通過旋轉(zhuǎn)升力，昆蟲可以調(diào)節(jié)機(jī)動(dòng)飛行的方向和飛行力的大小。 第一章 緒論 11圖 轉(zhuǎn)升力和尾跡捕獲機(jī)制52of 2 近來的一些研究工作表明在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型與懸停飛行中的昆蟲翅膀產(chǎn)生的瞬時(shí)升力基本接近， 但是對(duì)于這一方法是否可以擴(kuò)展到前飛卻還不清楚。 2利用果蠅的比例模型研究其翅膀以定角速度旋轉(zhuǎn)同時(shí)以適當(dāng)?shù)乃俣惹帮w過程， 提出對(duì)準(zhǔn)定常模型做出修正后可以對(duì)前飛過程升力進(jìn)行測(cè)量。 對(duì)于四翅膀的昆蟲如蜻蜓前后翅膀的影響，以前的報(bào)道54,55,56已給出了活體以及模型測(cè)量數(shù)據(jù)，由于四個(gè)翅膀的自由拍動(dòng)，其交互性影響一直受到關(guān)注。孫茂和蘭世隆 57基于 數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，前后的翅膀的交互性影響不大，最近 8采用蜻蜓模型研究了前后翅的影響，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了過去文獻(xiàn)7,58,59中前翅對(duì)后翅的影響很小的說法。 由于模型實(shí)驗(yàn)的可再現(xiàn)性和易測(cè)量性較好，可以對(duì)活體的觀察結(jié)果給予驗(yàn)證，所以應(yīng)用較為廣泛。但是由于模型實(shí)驗(yàn)往往是基于別人的活體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，容易在一些細(xì)節(jié)上忽略或者模型沒能完全反映出活體的流場(chǎng)特征， 導(dǎo)致模型與活體的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)差異較大，一些研究人員開始將活體實(shí)驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)一起來研究。 體模型結(jié)合 同時(shí)對(duì)活體和模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)較為突出的一個(gè)例子是 38通過將天中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所碩士學(xué)位論文 12蛾 (在風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用煙絲法觀察天蛾翅膀拍擊過程引起的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化。由于天蛾的尺寸太小，且飛行動(dòng)作不規(guī)則，同時(shí)活體的流場(chǎng)可視化圖片不夠清晰，不能獲得翅膀附近的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。基于此，根據(jù)天蛾的尺寸，制造了一個(gè)按比例放大的三維的機(jī)械模型，通過計(jì)算機(jī)來控制模型翅膀的拍動(dòng)?；铙w和模型觀察結(jié)果表明：當(dāng)兩翼張開時(shí)候，在下拍開始時(shí)出現(xiàn)前緣渦，并持續(xù)到下拍結(jié)束。下拍過程中渦不斷增大，并朝翅尖方向移動(dòng)。前緣渦一直穩(wěn)定地附著在翅面直到完成了下拍一半以后，發(fā)現(xiàn)了前緣渦的穩(wěn)定附著的一個(gè)高升力機(jī)制，圖 活體和模型的可視化流場(chǎng)圖。 圖 體實(shí)驗(yàn)和模型的可視化流場(chǎng) he of 速轉(zhuǎn)彎活體形態(tài)學(xué)參數(shù)和模型