類撲翼飛行器及其葉片流場特性研究

張玉華，代 強，周 進

（1.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272000）

0 引 言

撲翼飛行器是模仿昆蟲或鳥類拍翅運動而設計的，它具有垂直起降、懸停、各向運動等功能。相對于固定翼和旋翼飛行器，撲翼飛行器具有結構簡單、質量輕、成本低、效率高等諸多優點。因此，撲翼飛行器在國防和民用領域具有廣泛的應用前景。

撲翼飛行器主要是靠葉片拍動而產生升力，撲翼高效運動的實現是撲翼飛行器的難點。目前世界各國都投入了大量的人力、物力對撲翼飛行器進行研制。美國佐治亞理工學院和英國劍橋大學共同研制了靠往復化學肌肉驅動撲翼上、下拍動產生動力的微型撲翼飛行器Entomopter[1]，加州理工學院研制的“微型蝙蝠”撲翼飛行器[2]是利用鈦合金骨架蒙以聚合物薄膜構成的機翼，多倫多大學的大型人工動力撲翼飛行器“雪鳥”采用翼尖具有一定柔性的機翼產生升力。國內對撲翼飛行器的研究較晚，但也取得了很大的成果，南京航空航天大學、東南大學、北京航空航天大學等也研制了各種撲翼飛行器，其中南京航天航空大學研制的弧度型撲翼飛行器比直翼型撲翼飛行器提供的升力更大[3]。

無論是國外柔性機翼還是國內弧度型機翼的撲翼飛行器，它們注重對動物肢體運動的單純模仿，需要專用的撲翼機構將發動機的轉動轉換成撲翼的上、下擺動。為了簡化撲翼機構的結構和運動控制，本研究采用半轉機構[4]及內凸輪嚙合傳動[5]設計一種新型的撲翼飛行器，其葉片做不對稱的“拍動”，稱為類撲翼飛行器；基于提出的類撲翼飛行器的結構組成，分析葉片運動原理，揭示該飛行器的升力特性和機動性控制機制；建立葉片流場的有限元分析模型，通過數值計算和仿真分析，探索葉片流場、葉片結構和升力之間的變化規律，旨在為類撲翼飛行器的設計奠定理論基礎。

1 結構組成與葉片運動原理

類撲翼飛行器由機體、中心軸、回轉架、葉片及銷齒輪、內凸輪、錐齒輪及主傳動系統、控制系統等組成[6]，三維模型圖如圖1 所示。

圖1 類撲翼飛行器三維模型圖

葉片及其軸端固連的銷齒輪支撐在回轉架的轉臂兩端，銷齒輪與內凸輪嚙合，構成葉片運動的半轉機構。同一側半轉機構中兩葉片的相位差始終為90 °。當回轉架轉動時，葉片繞中心軸公轉的同時繞自身軸線進行自轉，自轉角速度為公轉角速度的1/2，且轉向方向相同。葉片的旋轉運動合成產生類似撲翼“拍動”的效果。

主動力通過錐齒輪嚙合傳遞給機體兩側的半轉機構，產生大小相等、方向可變的升力。兩側半轉機構共用一個動力系統，轉向相反。這樣既能保證推進力方向一致，又能保證兩側半轉機構產生的慣性力矩相互平衡。

內凸輪、大齒輪和控制機構等組成升力方向控制系統。機體兩側的控制機構分別改變內凸輪的初始位置，葉片產生的升力方向將隨內凸輪的轉角而實時變化。當機體兩側的升力方向垂直向上時，可實現垂直升降；升力同時向前或向后偏轉可實現前后移動；升力異向偏轉可實現轉向運動。

2 葉片流場分析建模

葉片是類撲翼飛行器提供升力的主要部件，為了分析葉片升力的產生機制和變化規律，研究者需要對葉片周圍的流場環境進行建模，以獲得合理的葉片流場特性計算模型。

2.1 流場計算區域的確定

類撲翼飛行器有兩組對稱于機體的半轉機構，它們的結構完全相同，機體兩側葉片布置相位差為90 °。當葉片同步轉動時，機體兩側葉片產生的主升力矢量是相同的，不妨以機體一側的運動雙葉片為建模對象。考慮到葉片的軸向長度大于徑向尺寸，葉片軸端的流體對葉片升力的影響較小，為了簡化計算，筆者將葉片的流場分析模型簡化為平面模型[7]。根據對半轉機構的運動分析，葉片在公轉一周的過程中，葉片自轉半周。葉片周圍的流體隨著雙葉片的位置和各點的速度變化產生復雜的流動。

為了模擬不同區域的流體運動，本研究將雙葉片及其周圍環境劃分為4 個區域，雙葉片流暢區域與有限元網格如圖2 所示。圖中，outer 為外部環境，該區域半徑在保證不影響域流場特性情況下，盡量選用較小半徑，以減少計算量。mid 為葉片的公轉區域，In1 和In2 分別為兩個葉片的自轉區域。為了較為準確地模擬區域內流體的流動，兩個自轉區域半徑分別比葉片的寬度稍大一些，并且保證兩區域間留有間隙，mid 區域要將兩自轉區域包含在內，并留有間隙。

2.2 網格劃分及邊界條件

由于葉片與流體的接觸邊界是曲線，網格類型采用平面三角形網格，有利于提高計算的速度和精度并保證網格結構的規則性。考慮葉片在靜止的流場中開始運動，由于兩個葉片的相互作用，自轉區域和公轉區域的流場變化較大，而outer 區域的相對較小。考慮到葉片邊緣的厚度較小，In1 和In2 區域的網格大小（interval size）設置為1，mid 區域和outer 區域的網格分別為2 和3，如圖2 所示。

圖2 雙葉片流場區域與有限元網格

假設葉片在流體運動中變形較小，不考慮流固耦合的影響，本研究分別將兩個葉片的所有邊指定為wall；將自轉區域與mid 區域，mid 區域與outer 區域的接觸邊分別定義接觸類型為interface；并將In1、In2、mid 以及outer 區域介質設置為fluid。

本研究在Fluent 軟件[8]中根據葉片的運動設置上述各區域的邊界條件，設置In1 和In2 區域繞各自中心自轉并相對于mid 區域公轉，且自轉角速度為公轉角速度的1/2 且方向相反；對葉片wall 設置為相對于各自的自轉區域自轉，自轉角速度為零。mid 區域設置為繞該區域的中心轉動，轉速與自轉區域的公轉速度相等；outer 區域設置為靜止。

2.3 計算模型

在計算區域，葉片的公轉及自轉使得流體作不規則運動。在葉片轉動過程中，流體速度會隨著葉片轉角的改變而改變，每一時刻的速度和加速度有所不同。因此，在模擬分析葉片流場特性時，本研究采用Fluent 的瞬態湍流計算模型[9-10]。

3 葉片流場特性計算與分析

設葉片公轉轉速為-100 r/min，兩葉片自轉轉速為50 r/min。計算時，時間步長設為0.01 s，步數為60步，使葉片公轉一周，完成一個運動周期的流場特性計算。葉片從左側垂直位置順時針公轉，公轉過程中葉片繞自身軸線逆時針自轉。

為了研究葉片流場特性，本研究計算了3 種不同機構參數的葉片在一個周期內的流場變化規律。

機構參數如表1 所示。通過分析可得到較為合理的葉片尺寸及布置關系。

表1 3 種機構參數

3.1 葉片周圍速度矢量分布

葉片轉動0 °、45 °、90 °、135 °時周圍流場的速度矢量分布圖如圖3 所示。

圖3 不同葉片方位的流場速度矢量分布

由圖3 可知，流場中沿葉片壁面分布的速度矢量與葉片公轉和自轉的合速度方向一致。0 °時葉片壁面兩側速度矢量均勻向上，外側速度矢量較小且有分布不均；45 °時，在葉片邊緣處出現少量的速度矢量渦旋現象；當葉片轉到90 °時，在葉片兩端邊緣處，速度矢量存在較大渦旋現象，此時升力最大；135 °時，速度矢量沿葉片壁面斜向上，且分布較為均勻。葉片公轉一周回到初始位置，在一個運動周期中，不同位置的葉片周圍存在不同的流場速度矢量分布。

3.2 葉片周圍的壓力分布

機構Ⅰ中葉片在不同狀態下的流場壓力分布曲線如圖4 所示。

圖4 葉片不同狀態下流場壓力分布曲線

葉片在0 °和90 °時的壓力分布曲線如圖4（a）所示，由圖可知，水平葉片上部Ⅰ區域為負壓，且葉片上表面壓強值由葉片左端到右端遞增；葉片下側Ⅱ區域為正壓，葉片下表面壓強由葉片左側到右側也逐漸遞增。垂直葉片兩側區域Ⅲ和區域Ⅳ上部為負壓，下部為正壓，葉片上部兩側壓強差較小，而下部兩側的壓強差較大。

葉片在45 °和135 °時的壓力分布曲線如圖4（b）所示，由圖可知，Ⅰ區域、Ⅱ區域和Ⅲ區域均為正壓。壓力值在Ⅰ區域和Ⅱ區域較大，Ⅲ區域壓力值較小，Ⅳ區域為負壓。壓力總體分布從葉片外側邊緣向兩葉片中心處遞減，上葉片下半部下表面壓力分布幾乎與下葉片下半部上表面的相同。因此，雙葉片在運動中存在很強的相互影響。

3.3 不同機構參數對升力的影響

在類撲翼飛行器葉片轉動過程中，葉片表面的分布壓力可合成為定向升力或推力，根據流體動力學理論，其大小與升力系數CL成正比。當葉片的結構尺寸和轉速相同時，升力系數CL的變化規律反映了葉片在不同位置時升力變化。

因此，本研究給定相同的轉速，對3 種不同機構的葉片流場特性進行仿真計算，輸出其中左側葉片在轉動一周的過程中升力系數變化曲線，3 種機構參數的升力系數曲線如圖5 所示。

圖5 3 種機構參數的升力系數曲線

對比圖5 中3 種機構參數的葉片升力系數曲線可知，葉片在公轉一周的過程中，升力最大值出現在0.3 s即葉片轉動到水平位置，且前半周的升力系數明顯大于后半周的。

機構Ⅰ的升力系數最大值為0.72，機構Ⅱ升力系數最大值為0.5，機構Ⅲ升力系數最大值為0.9。由圖5中曲線a 和b 可知，相同中心距下增大葉片尺寸，顯然通過增加迎流面積能夠有效地增加升力。分析曲線a和c 可知，在葉片尺寸不變的情況下，適當增加兩葉片中心距，顯然增加葉片公轉的線速度也能使升力系數得到顯著增加。計算結果表明：適當地增加葉片尺寸和兩葉片之間的中心距能夠有效地提高推進器的升力，這與理論分析結果是一致的[11]。

4 結束語

本研究提出了一種新型類撲翼飛行器，其結構組成簡單、主傳動機構效率高、升力方向控制靈敏。基于FLUENT，筆者建立了雙葉片運動的流場特性有限元模型，分析確定了計算區域、邊界條件及計算模型，對3 種不同機構參數的葉片運動流場特性進行了仿真計算與分析，獲得了葉片運動流場的速度矢量和葉片表面壓力分布變化規律以及升力系數變化規律。

研究結果表明：在一個運動周期中雙葉片周圍的流場速度矢量、壓力分布和升力系數是隨葉片方位變化的，兩個葉片之間存在很強的相互影響；前半周的葉片升力系數大于后半周的升力系數；通過增加葉片大小和兩葉片的中心距可有效提高升力系數。

該研究對于指導修正類撲翼飛行器的升力計算數學模型具有重要的指導意義。

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