仿鳥羽毛撲翼氣動性能分析

(北京信息科技大學 機電學院，北京 100192)

引言

撲翼仿鳥羽毛型飛行器是一種模仿鳥類撲翼飛行的新型飛行器，通過撲翼飛行使撲翼在撲動的過程中，同時產生向上的升力和向前的推力[1]。在空中飛翔時，鳥類可以任意改變飛行方式，很靈活，具有很高的機動性能，所以撲翼飛行成為了研究的熱點。由于其良好的氣動效率、隱蔽性、低噪聲等，在軍事和民用領域具有廣闊的前景。RAMAMURTI等[2]采用數值模擬方法模擬了果蠅的三維非定常流動，計算得到氣動力特性結果與實驗測值相吻合。

陳利麗[3]仿真分析發現柔性撲翼的升力和推力特性受彎曲變形和扭轉變形運動的綜合影響。孫茂[4]通過實驗觀測蜂蠅的快速起飛過程，并計算分析其中的力學過程，處理所測得數據得到起飛過程中的慣性力和力矩，計算翅膀拍動產生的氣動力，由力學平衡得到腿部作用力。魏德宸等[5]設計了一種包括鴨翼、脊型前體、邊條翼、主翼和垂尾的模型，進行了自由滾轉、擾動滾轉、靜動態測力等多種技術相結合的風洞試驗。曾銳[6]用非定常渦格法計算變速-折疊撲翼仿鳥撲動模型，研究表明，折疊運動得到的平均升力系數比剛性運動更高。文獻[7]研究了八哥翅翼形態與飛行能力的關系，八哥起飛時，要具有很大的爬升角且此時八哥的翅翼的翼尖是圓形的。起飛時，爬升角比較小的情況下，翅翼的翼尖是尖形的。不同的翼尖形狀對鳥類起飛，有很大的影響。文獻[8]提出翼型具有羽毛蓋，其形狀和面積與基翼相同，主結構骨架也是相同的，它由前翼梁和斜梁組成。飛行翼上的羽毛順序就像鳥翼的排列，在2個相鄰的羽毛中，靠近翼尖的在下面，而在翼根附近的在上面。

鳥類飛行是通過翅膀靈活運動和羽毛共同作用產生升力和推力。鳥的羽毛是鳥類適應飛行生活最具獨特性的構造，羽毛為鳥翅膀提供流線外形、減小身體重量等方面具有非常重要的作用。羽毛覆蓋了鳥的全身，具有可再生及防水的作用，羽毛與骨骼組成的翅膀有利于鳥類飛翔[9]。

1 鳥類羽毛的組成及作用

1.1 鳥翅羽毛構成

鳥類翅膀羽毛分布如圖1所示，可分為以下幾類[10]：

初級飛羽，分布在指骨肌肉的外部，構成了翅膀的外翼部分，占翅膀整個面積的30%～40%。在指骨運動和肌肉收縮的帶動下，初級飛羽有較大運動幅度，是氣動力的主要來源[10]。初級飛羽中的單根羽毛形狀類似船槳，有些初級飛羽還能夠參與一定的獨立運動。

圖1 鳥翅膀的羽毛

次級飛羽，覆蓋在上臂處的尺骨肌肉外部，形成了翅膀的內翼部分，在上臂關節和肌肉的帶動下，羽毛內翼面也會隨之運動。由于次級飛羽具有較大的弧度，所以升力更容易產生。

三級飛羽，位于鳥類翅膀的根部和身體連接處的羽毛，鳥類的翅膀與身體之間形成一個光滑氣動面，讓氣流順利流過，預防紊流產生，一般而言，以滑翔飛行為主的大型鳥類都具有三級飛羽。

覆羽，長在鳥類身體的外表面及其翅膀的背部，讓鳥類身體和翅膀看起來像流線似的，并提供一定升力及可以減少一些阻力[11]。

1.2 單根羽毛結構特點

單根羽毛的形狀類似船槳，并且具有精細的結構。羽毛由羽莖、羽枝和羽枝小鉤等組成。羽毛整體葉面像平滑的流線似的，并且具有一定的彎曲度。羽莖的外側長有羽枝的部分是羽軸，羽軸是實心結構。羽莖不僅有較高強度和韌性，還有非常輕的重量。羽軸橫向有大量羽枝，羽枝上長著許多的小羽枝和羽枝小鉤，它們相互交織在一起，形成一個平滑的像流線似的羽毛葉面[12]，羽毛整體結構如圖2所示。

圖2 羽毛的結構

為了滿足飛行姿態變化的不同需要，鳥類在飛行時，翼面形狀、翼面面積、展向弦長、翼型形狀都在變化。一般而言，體積較大的鳥類，它們擁有大展弦比翼面和較大面積的尾翼，以增大升阻比，減少能量消耗；體積較小的鳥類，擁有小展弦比翼面和剪刀狀尾翼，以提高氣動面的靈活性。

2 建立模型

2.1 羽毛建模

羽毛建模對海鷗翅翼的初級飛羽、次級飛羽和初級飛羽覆羽進行測量，測量了海鷗翅翼的初級飛羽、次級飛羽和初級飛羽的羽干長度、內羽片面積、外羽片面積，測量結果如表1所示。

表1中測的是靜態數據，在實際飛行中，鳥類姿態在不停地變化，羽毛的姿態也要變化，取靜態數據的平均值，從初級飛羽的羽干長度來看，前3根飛羽的羽干長度較大，這說明這3根飛羽構成了翅翼的羽尖形狀。其它初級飛羽羽干長度較接近,外羽片面積是減少的，內羽片面積也是減小的且內羽片面積大于外羽片面積。而次級飛羽的羽干長度也比較接近，外羽片面積小于內羽片面積。初級飛羽和次級飛羽排布，形狀決定了翅膀的形狀。但初級飛羽的內外羽片面積存在較大差異，從外羽片面積，內羽片面積后面6根飛羽也是較接近的。

表1 初級飛羽與次級飛羽的測量結果

注：A1代表羽干長度，mm；A2代表外羽片面積，mm2；A3代表內羽片面積，mm2。

圖3 相鄰羽毛間的重疊

由表1可以看出，前3根初級羽毛的羽干比其他初級飛羽長，外羽片面積比其他初級飛羽大，內羽片面積其他初級飛羽大。相鄰羽毛間的重疊如圖3所示，觀察羽毛可以發現第1根初級飛羽前緣比其它初級飛羽的前緣鋒利，且第1根初級飛羽的外羽片比較窄及具有不對稱性外羽片和內羽片，造成這種結構的原因有以下三方面：第一是羽毛外羽片面積比較小且都向斜上方生長，這樣的結構使初級飛羽的迎風面積大大減少了；第二是前3根初級飛羽具有像流線似的相同結構，形成了海鷗翅膀的翼尖，這樣的結構有利于提升飛行能力，降低飛行中的阻力；第三是前3根羽毛具有不對稱的初級飛羽和次級飛羽，在重疊區域內形成了一部分通道如圖3所示。當翅膀上下撲動時空氣會經過縫隙穿過外羽片進入重疊區域，而空氣不能穿過內羽片，因此大量的空氣會沿著羽軸向后噴出，給羽軸一個向前的力，有利于鳥類飛行。

基于以上分析，取相關尺寸建立如圖4所示模型。

圖4 羽毛的模型

2.2 撲翼仿鳥羽毛型飛行器三維模型

撲翼仿鳥羽毛型飛行器越輕，越有可能在空中飛行，能量消耗越少，飛行時間越長.根據撲翼飛行器整體結構尺寸，其質量大約為500 g。m為飛行器的質量，根據表2算得如下尺寸：

全翼展L=1.17m0.39=0.893

翼面積S=0.16m0.72=0.0971

雙翅拍打頻率f=3.87m-0.33=4.865

機翼弦比長b=S/L=0.1087

表2 鳥類身體質量與其撲翼飛行參數的關系[13]

當鳥類在空中飛行時，根據飛行狀態的不同，撲動頻率也不同，且在一定范圍內變化[14]。不同體型的鳥類，撲動頻率有很大的不同，一般來說，體型越大的鳥，撲動頻率越低，體型越小，撲動頻率會越高[15]。

采用撲翼仿鳥羽毛型飛行器的整機模型如圖5所示。

圖5 撲翼仿鳥羽毛型飛行器

工作原理如圖6所示：

電機帶動齒輪1轉動，齒輪1與齒輪2嚙合，齒輪1帶動齒輪2轉動，實現一級減速，齒輪2帶動相應的軸轉動，軸帶動齒輪3轉動，齒輪3帶動齒輪4轉動，實現二級減速，齒輪4帶動齒輪5轉動，齒輪5與齒輪6嚙合，由于齒輪5與齒輪6直徑大小完全相同，所以齒輪5與齒輪6等速傳動，齒輪5與齒輪6通過對應的軸分別帶動各自的曲柄轉動，曲柄帶動連桿運動，連桿帶動相應的搖桿上下撲動,羽毛在搖桿的帶動下，參與相應的運動。

圖6 機翼工作原理圖

3 羽毛CFD分析

3.1 羽毛CFD模擬計算

用SolidWorks建好模型，導入到DesignMolder中，用Meshing劃分網格如圖7所示，檢查網格質量，質量較好，導入到Fluent中。由于機翼的撲動速度比較小，模型選擇SST k-omega模型，邊界條件：入口設置為速度入口，其他壁面設為壓力遠場，本研究取流速為5 m/s，馬赫數為0.01471。

圖7 單根羽毛網格劃分

圖8所示的是單根羽毛的壓力云圖，從羽柄到羽軸，壓力逐漸增大，靠近羽柄的羽枝形成的流線型葉面壓力是比較大的，提供較大的升力，羽軸處的羽枝形成的流線型葉面壓力是比較小，提供較小的升力。

圖8 羽毛的壓力云圖

3.2 羽毛彎曲角度對羽毛氣動性能的影響

圖9所示的是羽毛彎角分別是1°,2°，3°，4°，5°，6°，羽毛速度云圖比較，羽毛彎曲時，伴隨著非常復雜非定常空氣流動，羽毛上下流線型葉面會形成速度差，且強度是先增大后減小。

3.3 羽毛彎曲過程升、阻力分析

在Fluent中監測升力系數和阻力系數，流速為5 m/s 時，時間步長設定為0.01 s,計算320步，320次迭代后，羽毛的升力系數和阻力系數曲線如圖10和11所示。

由圖10和11可以看出，當來流速度為4 m/s時，升力系數與阻力系數起始階段波動比較劇烈，但當升阻力系數達到最大值或最小值時，會出現出現驟變，其后漸漸平緩。說明流速不大時，在起始階段，羽毛的升阻力會有較大波動。仿生撲翼飛行器是通過機翼的上下擺動帶動羽毛彎曲，從而產生升力，這對撲翼飛行器的升阻力有重要影響。

由圖12和13所示，分別顯示了升力，阻力隨羽毛彎角的變化，流速為5 m/s時，在一定羽毛彎角范圍內，彎角為1, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°，升力是增大，阻力是先減小后增大。圖14顯示在羽毛彎角為2°時，升阻比達到最大。

圖9 不同彎角下的羽毛壓力云圖

圖10 羽毛的升力系數曲線

圖11 羽毛的阻力系數曲線

圖12 升力曲線圖

圖13 阻力曲線圖

圖14 升阻比隨角度變化

4 結論

本研究建立了撲翼仿鳥羽毛型飛行器及單根羽毛模型，基于Fluent分析了羽毛的氣動特性，分析了羽毛彎角對羽毛氣動性能的影響。羽毛升力系數隨羽毛彎角的變化，為計算單根羽毛最大能提供多大升力提供依據。