蝴蝶翼面形狀對繞流結(jié)構(gòu)的影響

胡 燁 ,王晉軍,張 草 ,張攀峰

(北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)教育部重點實驗室,北京100191)

0 引 言

近年來,由于軍用和民用的需要,研究微型飛行器(MAVs)形成一股熱潮。研究表明,當(dāng)翼展小于15cm時,若仍采用固定翼常規(guī)氣動布局,由于雷諾數(shù)太低,達不到足夠的升阻比,無法產(chǎn)生足夠的升力來平衡飛行器自身的重量[1]。然而,小尺寸昆蟲的撲翼飛行不但能提供支持昆蟲體重的升力,而且完全能滿足其異常敏捷的機動飛行的需求[2-3]。

昆蟲的撲翼飛行即包括果蠅、蜜蜂等小翼展、高頻率的撲翼運動,也有如蝴蝶、天蛾等相對翼展較大、振動頻率較低的運動方式。由于蝴蝶飛行的特殊性,國外很早就已經(jīng)對其飛行運動方式進行了觀測,并獲得了大量蝴蝶在自由飛等狀態(tài)下的運動形態(tài)學(xué)參數(shù)及其飛行規(guī)律[4-6]。在蝴蝶飛行機理研究方面,人們主要是對真實的蝴蝶進行簡化,建立數(shù)學(xué)模型,利用計算流體力學(xué)的方法對其氣動力進行計算,通過數(shù)值模擬的方式研究蝴蝶的撲翼飛行[7]。然而,數(shù)值模擬的結(jié)果是否正確、合理,需要通過實驗測量加以驗證。

牛津大學(xué)的Srygley和 Thomas[8]訓(xùn)練紅色將軍蝶在風(fēng)洞中自由飛行,采用高速、高精度設(shè)備進行煙流顯示實驗,定性研究了紅色將軍蝶翼面上的繞流流場。他們的研究表明,紅色將軍蝶在需要高升力的情況下(如起飛、降落、高速機動飛行時),采用前緣渦機制、相對分合機制和旋轉(zhuǎn)機制,而在穩(wěn)定平飛時卻避免使用這些機制。日本金澤大學(xué)的Kei等人[9]利用拉格朗日法在簡化蝴蝶模型上采用布渦的方法計算模型的氣動力,同時他們利用自行設(shè)計的微型測力系統(tǒng)對蝴蝶模型撲翼運動時的氣動力進行實驗測量,證實了利用拉格朗日法簡化的數(shù)學(xué)模型的有效性。胡燁等[10]以具有長距離遷徙能力的天堂鳥翼鳳蝶為研究對象,應(yīng)用氫氣泡流動顯示的方法研究了該蝴蝶簡化模型繞流結(jié)構(gòu)特征及其隨迎角的變化規(guī)律,特別是觀測到的倒八字型前緣渦結(jié)構(gòu),不僅是一種新的流動現(xiàn)象,而且是這類蝴蝶滑翔飛行時產(chǎn)生高升力的機理。

但是,相對于蝴蝶運動形態(tài)學(xué)的研究,關(guān)于蝴蝶繞流結(jié)構(gòu)的研究還很少見。此外,蝴蝶飛行不僅依賴于撲翼運動,而且在一定的條件下具有以滑翔方式進行飛行的特性。本文在以往研究的基礎(chǔ)上,從研究不同平面形狀的翼面對蝴蝶繞流特性影響的角度出發(fā),利用氫氣泡流動顯示技術(shù)觀察具有長途遷徙特性的天堂鳥翼鳳蝶和黑脈金斑蝶平板模型翼面繞流結(jié)構(gòu)的異同,以期得到蝴蝶平面形狀對繞流結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

1 實驗設(shè)備和方法

實驗中選用天堂鳥翼鳳蝶和黑脈金斑蝶這兩種長距離遷徙蝴蝶作為研究原型,根據(jù)蝴蝶的照片利用matlab軟件捕捉蝴蝶的外形輪廓,得到用于加工的蝴蝶模型外形輪廓圖(如圖1所示),模型的設(shè)計展長均為200mm。實驗在北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所自循環(huán)回流式的水槽中進行,該水槽實驗段尺寸為0.6m×0.6m×4.0m,湍流度小于1%,來流速度為46mm/s,基于模型展長的雷諾數(shù)Re≈9×103,與真實蝴蝶的飛行雷諾數(shù)接近。蝴蝶模型采用腹撐方式水平放入水槽中,通過迎角機構(gòu)改變模型與來流之間的迎角,實驗中迎角變化范圍為α=4°～ 24°,間隔為 4°。

圖1 蝴蝶模型及鉑絲位置示意圖Fig.1 Sketchofbutterflymodelandtheplatinumwire

實驗中,鉑絲沿展向平行于模型表面放置,布絲方式如圖1(a)所示。鉑絲沿展向布置時可沿流向移動,產(chǎn)生的氫氣泡時間線可顯示不同流向位置的繞流結(jié)構(gòu),鉑絲到模型最前端的距離為d,與距離蝴蝶模型上表面之間的高度為H。

2 實驗結(jié)果和討論

對比圖1中天堂鳥翼鳳蝶和黑脈金斑蝶的外形輪廓圖可發(fā)現(xiàn),黑脈金斑蝶的前緣弧度遠遠小于天堂鳥翼鳳蝶,后翼面流向長度也比天堂鳥翼鳳蝶短,但是其后翼面面積在總翼面中所占的比例卻大于天堂鳥翼鳳蝶,而且后翼面的邊緣不同于天堂鳥翼鳳蝶的大鋸齒形邊緣,黑脈金斑蝶的邊緣平滑,基本呈圓弧形。另外黑脈金斑蝶沒有鳳尾,屬于無尾蝶類。基于以上兩類蝴蝶在外形上的不同,模型在各迎角下的繞流結(jié)構(gòu)必將產(chǎn)生一定的差異。

2.1 前緣渦和翼尖渦

首先對兩類蝴蝶模型在d=10mm、H=1mm的位置上沿展向布絲,觀察兩者在各迎角下俯視圖中前緣渦和翼尖渦的異同。在圖2(c)中,12°時左側(cè)天堂鳥翼鳳蝶的翼尖渦渦核在俯視圖中隱約可以看到,但黑脈金斑蝶翼尖渦在該角度下并不明顯,直到 α=16°(如圖2d)時才看到渦核。翼尖渦是由于機翼存在三維效應(yīng),上下翼面壓力差使機翼翼端處下翼面的流體翻轉(zhuǎn)到上翼面而形成的渦結(jié)構(gòu),翼尖渦的產(chǎn)生會導(dǎo)致機翼升力的降低和阻力的增大。從這一角度分析,在同樣的迎角下黑脈金斑蝶受翼尖渦的影響小于天堂鳥翼鳳蝶,由于其飛行阻力小,因而能耗少,適于長距離飛行,這正好解釋了該類蝴蝶具有優(yōu)越的長途跋涉能力的機理。

在圖2(a)中 α=4°時黑脈金斑蝶翼面繞流沒有形成明顯的前緣渦流動結(jié)構(gòu),但天堂鳥翼鳳蝶的前緣渦隱約可見。α=8°時(如圖2b所示),兩個模型的前緣渦均很清晰,但天堂鳥翼鳳蝶前緣渦渦核位置比黑脈金斑蝶更靠近模型對稱面。天堂鳥翼鳳蝶前緣渦渦核在該迎角下具有一定的弧度且基本沿模型前緣分布與前緣平行,而黑脈金斑蝶前緣渦渦核基本成一條直線,位于半翼展的中間位置并隨著迎角的增加略向外側(cè)偏移。但是在相同迎角下,黑脈金斑蝶前緣渦的渦破裂位置明顯比天堂鳥翼鳳蝶的渦破裂位置靠后,而且黑脈金斑蝶的前緣渦更為集中,說明在相同迎角下黑脈金斑蝶的前緣渦比天堂鳥翼鳳蝶前緣渦更強。這與其渦核是一條直線,具有較大的軸向(流向)速度密切相關(guān),可見黑脈金斑蝶具有較大的渦升力。結(jié)合前面的分析,我們可以推斷出黑脈金斑蝶具有較大的升阻比,有很好的機動性,適應(yīng)環(huán)境的能力強,它能夠從加拿大出發(fā)跋涉4800km飛到位于墨西哥中部就是很好的證明。由于黑脈金斑蝶前緣渦比天堂鳥翼鳳蝶更加穩(wěn)定,前緣渦破裂后的紊流區(qū)域也比后者小很多。另外觀察兩類模型鉑絲附近的倒流區(qū),發(fā)現(xiàn)在小迎角(α=4°、8°)下兩類模型均未出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。但在α=12°迎角下,天堂鳥翼鳳蝶模型的鉑絲上游已經(jīng)出現(xiàn)了小范圍的倒流,而黑脈金斑蝶此時仍為順流,而且在α=16°迎角時天堂鳥翼鳳蝶的倒流區(qū)域也遠遠大于黑脈金斑蝶的倒流區(qū)域。這些現(xiàn)象說明相同攻角情況下,黑脈金斑蝶具有較好的氣動特性,即較大的升力,較小的阻力,較高的升阻比和機動性等。

圖2 前緣渦與翼尖渦Fig.2 Leading-edgevorticesandwing-tipvortices

2.2 分離泡和馬蹄形尾跡

將鉑絲向后移至前緣和身體相交的豁口處,天堂鳥翼鳳蝶的鉑絲位置為d=70mm、H=1mm,黑脈金斑蝶的鉑絲位置為d=65mm、H=1mm,在相應(yīng)位置處氫氣泡時間線顯示分離的氣泡結(jié)構(gòu)如圖3所示。可見各迎角下黑脈金斑蝶的分離泡均比天堂鳥翼鳳蝶的氣泡結(jié)構(gòu)更規(guī)則,外形輪廓更清晰,說明后者比前者更穩(wěn)定,這與前緣渦的特征是一致的。由于各迎角下天堂鳥翼鳳蝶的前緣渦破裂位置比黑脈金斑蝶靠前,分離泡和馬蹄形尾跡結(jié)構(gòu)會受到上游前緣渦結(jié)構(gòu)的影響,因此前緣渦的提前破裂導(dǎo)致分離泡和馬蹄形尾跡結(jié)構(gòu)的紊亂。

2.3 后翼面繞流

前文在對天堂鳥翼鳳蝶和黑脈金斑蝶的外形進行對比時曾提到,兩者在后翼面形狀和其在總翼面面積中所占比例上具有較大差異,因此這一部分將對兩者后翼面上的流動結(jié)構(gòu)進行對比研究。分別在兩類模型后翼面翼展最寬位置處沿展向布絲,天堂鳥翼鳳蝶的布絲位置為d=115mm、H=1mm,黑脈金斑蝶的布絲位置為d=105mm、H=1mm。

如圖4(a)所示迎角α=8°時,黑脈金斑蝶后翼面翼端與前緣翼端一樣開始出現(xiàn)明顯的翼尖渦,但其強度遠遠小于前翼的翼尖渦。在α=8°時該翼尖渦并不明顯,僅能看到流動有從下翼面向上翼面翻卷的跡象。但是在迎角α=16°時,后翼面翼尖渦繞流結(jié)構(gòu)清晰,如圖4(b)中矩形框內(nèi)所示。同時在渦核順流動向下游延伸的過程中,由于前翼面翼尖渦影響范圍隨迎角增加而擴大,該后翼面翼尖渦渦核被卷入其中。如圖4左側(cè)所示,在天堂鳥翼鳳蝶后翼面繞流圖中也可以看到后翼翼端有帶狀結(jié)構(gòu)脫出,但該結(jié)構(gòu)僅是后翼鋸齒形翼端對流體粘性作用而產(chǎn)生的減速效果,并沒有形成繞渦核旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu),而且在從翼端脫出后該結(jié)構(gòu)就被迅速地卷入前翼的翼尖渦繞流中。

圖3 分離泡與馬蹄形尾跡Fig.3 Separationbubbleandhorseshoewake

圖4 后翼面繞流Fig.4 Wing-tip flow structure of under hindwings

通過以上實驗分析可知,由于天堂鳥翼鳳蝶與黑脈金斑蝶外形特征的不同,導(dǎo)致兩者繞流結(jié)構(gòu)的差異。對于前翼面兩者的不同主要在于,黑脈金斑蝶的前緣較平直,弧度遠遠小于天堂鳥翼鳳蝶,這點差異可能正是黑脈金斑蝶前緣渦渦核呈直線型,渦強度明顯大于天堂鳥翼鳳蝶而且渦破裂位置也比后者渦破裂位置靠后的主要原因。同時,黑脈金斑蝶的翼尖渦強度小于天堂鳥翼鳳蝶,分離泡也比后者對稱且穩(wěn)定。分析兩種蝴蝶的后翼面形狀我們發(fā)現(xiàn),黑脈金斑蝶的后翼面邊緣光滑,形狀類似于固定翼中的橢圓機翼,這種形狀的機翼具有在中小迎角下升阻特性最佳和大迎角下失速特性良好的特點。天堂鳥翼鳳蝶后翼面的邊緣為鋸齒形在低雷諾數(shù)下會增大模型的阻力,從這一點來講黑脈金斑蝶后翼面的氣動力特性優(yōu)于天堂鳥翼鳳蝶。

3 結(jié) 論

本文對天堂鳥翼鳳蝶和黑脈金斑蝶模型在無動力平飛時的繞流結(jié)構(gòu)進行了對比研究,分析了兩種不同平面形狀的蝴蝶模型繞流結(jié)構(gòu)的異同,并對造成繞流結(jié)構(gòu)差異的原因進行了深入地討論。主要結(jié)論如下:

(1)在天堂鳥翼鳳蝶和黑脈金斑蝶模型繞流結(jié)構(gòu)隨迎角變化的實驗中,兩種模型的前緣渦渦核逐漸偏離模型對稱面而向兩側(cè)移動,渦破裂的位置都不斷提前。翼尖渦強度隨迎角增加均不斷增強,卷起的圓錐形區(qū)域不斷增大。分離泡在小迎角下流動結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,隨迎角的增加氣泡結(jié)構(gòu)隨中間帶狀高速區(qū)左右擺動,當(dāng)迎角較大時該分離泡和馬蹄形尾跡形成復(fù)雜的紊流。

(2)由于天堂鳥翼鳳蝶與黑脈金斑蝶前緣弧度的不同,天堂鳥翼鳳蝶前緣渦渦核在α＜12°時呈圓弧形,基本與其前緣平行;但黑脈金斑蝶前緣較為平直,前緣渦渦核在各迎角下均呈直線形,基本位于半翼展的中線位置,但在相同的實驗條件下,黑脈金斑蝶前緣渦強度明顯大于天堂鳥翼鳳蝶,而且渦破裂位置也在后者渦破裂位置的下游。同時,其翼尖渦強度小于天堂鳥翼鳳蝶,分離泡也比后者穩(wěn)定。由于兩種模型后翼面形狀存在較大差異,黑脈金斑蝶后翼面翼端卷起翼尖渦并在迎角較大時卷入前翼面的翼尖渦中,但這一現(xiàn)象在天堂鳥翼鳳蝶的繞流結(jié)構(gòu)中卻沒有出現(xiàn)。

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