蝴蝶翼面形状对绕流结构的影响

胡 烨 ,王晋军,张 草 ,张攀峰

(北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室,北京100191)

0 引 言

近年来,由于军用和民用的需要,研究微型飞行器(MAVs)形成一股热潮。研究表明,当翼展小于15cm时,若仍采用固定翼常规气动布局,由于雷诺数太低,达不到足够的升阻比,无法产生足够的升力来平衡飞行器自身的重量[1]。然而,小尺寸昆虫的扑翼飞行不但能提供支持昆虫体重的升力,而且完全能满足其异常敏捷的机动飞行的需求[2-3]。

昆虫的扑翼飞行即包括果蝇、蜜蜂等小翼展、高频率的扑翼运动,也有如蝴蝶、天蛾等相对翼展较大、振动频率较低的运动方式。由于蝴蝶飞行的特殊性,国外很早就已经对其飞行运动方式进行了观测,并获得了大量蝴蝶在自由飞等状态下的运动形态学参数及其飞行规律[4-6]。在蝴蝶飞行机理研究方面,人们主要是对真实的蝴蝶进行简化,建立数学模型,利用计算流体力学的方法对其气动力进行计算,通过数值模拟的方式研究蝴蝶的扑翼飞行[7]。然而,数值模拟的结果是否正确、合理,需要通过实验测量加以验证。

牛津大学的Srygley和 Thomas[8]训练红色将军蝶在风洞中自由飞行,采用高速、高精度设备进行烟流显示实验,定性研究了红色将军蝶翼面上的绕流流场。他们的研究表明,红色将军蝶在需要高升力的情况下(如起飞、降落、高速机动飞行时),采用前缘涡机制、相对分合机制和旋转机制,而在稳定平飞时却避免使用这些机制。日本金泽大学的Kei等人[9]利用拉格朗日法在简化蝴蝶模型上采用布涡的方法计算模型的气动力,同时他们利用自行设计的微型测力系统对蝴蝶模型扑翼运动时的气动力进行实验测量,证实了利用拉格朗日法简化的数学模型的有效性。胡烨等[10]以具有长距离迁徙能力的天堂鸟翼凤蝶为研究对象,应用氢气泡流动显示的方法研究了该蝴蝶简化模型绕流结构特征及其随迎角的变化规律,特别是观测到的倒八字型前缘涡结构,不仅是一种新的流动现象,而且是这类蝴蝶滑翔飞行时产生高升力的机理。

但是,相对于蝴蝶运动形态学的研究,关于蝴蝶绕流结构的研究还很少见。此外,蝴蝶飞行不仅依赖于扑翼运动,而且在一定的条件下具有以滑翔方式进行飞行的特性。本文在以往研究的基础上,从研究不同平面形状的翼面对蝴蝶绕流特性影响的角度出发,利用氢气泡流动显示技术观察具有长途迁徙特性的天堂鸟翼凤蝶和黑脉金斑蝶平板模型翼面绕流结构的异同,以期得到蝴蝶平面形状对绕流结构的影响规律。

1 实验设备和方法

实验中选用天堂鸟翼凤蝶和黑脉金斑蝶这两种长距离迁徙蝴蝶作为研究原型,根据蝴蝶的照片利用matlab软件捕捉蝴蝶的外形轮廓,得到用于加工的蝴蝶模型外形轮廓图(如图1所示),模型的设计展长均为200mm。实验在北京航空航天大学流体力学研究所自循环回流式的水槽中进行,该水槽实验段尺寸为0.6m×0.6m×4.0m,湍流度小于1%,来流速度为46mm/s,基于模型展长的雷诺数Re≈9×103,与真实蝴蝶的飞行雷诺数接近。蝴蝶模型采用腹撑方式水平放入水槽中,通过迎角机构改变模型与来流之间的迎角,实验中迎角变化范围为α=4°～ 24°,间隔为 4°。

图1 蝴蝶模型及铂丝位置示意图Fig.1 Sketchofbutterflymodelandtheplatinumwire

实验中,铂丝沿展向平行于模型表面放置,布丝方式如图1(a)所示。铂丝沿展向布置时可沿流向移动,产生的氢气泡时间线可显示不同流向位置的绕流结构,铂丝到模型最前端的距离为d,与距离蝴蝶模型上表面之间的高度为H。

2 实验结果和讨论

对比图1中天堂鸟翼凤蝶和黑脉金斑蝶的外形轮廓图可发现,黑脉金斑蝶的前缘弧度远远小于天堂鸟翼凤蝶,后翼面流向长度也比天堂鸟翼凤蝶短,但是其后翼面面积在总翼面中所占的比例却大于天堂鸟翼凤蝶,而且后翼面的边缘不同于天堂鸟翼凤蝶的大锯齿形边缘,黑脉金斑蝶的边缘平滑,基本呈圆弧形。另外黑脉金斑蝶没有凤尾,属于无尾蝶类。基于以上两类蝴蝶在外形上的不同,模型在各迎角下的绕流结构必将产生一定的差异。

2.1 前缘涡和翼尖涡

首先对两类蝴蝶模型在d=10mm、H=1mm的位置上沿展向布丝,观察两者在各迎角下俯视图中前缘涡和翼尖涡的异同。在图2(c)中,12°时左侧天堂鸟翼凤蝶的翼尖涡涡核在俯视图中隐约可以看到,但黑脉金斑蝶翼尖涡在该角度下并不明显,直到 α=16°(如图2d)时才看到涡核。翼尖涡是由于机翼存在三维效应,上下翼面压力差使机翼翼端处下翼面的流体翻转到上翼面而形成的涡结构,翼尖涡的产生会导致机翼升力的降低和阻力的增大。从这一角度分析,在同样的迎角下黑脉金斑蝶受翼尖涡的影响小于天堂鸟翼凤蝶,由于其飞行阻力小,因而能耗少,适于长距离飞行,这正好解释了该类蝴蝶具有优越的长途跋涉能力的机理。

在图2(a)中 α=4°时黑脉金斑蝶翼面绕流没有形成明显的前缘涡流动结构,但天堂鸟翼凤蝶的前缘涡隐约可见。α=8°时(如图2b所示),两个模型的前缘涡均很清晰,但天堂鸟翼凤蝶前缘涡涡核位置比黑脉金斑蝶更靠近模型对称面。天堂鸟翼凤蝶前缘涡涡核在该迎角下具有一定的弧度且基本沿模型前缘分布与前缘平行,而黑脉金斑蝶前缘涡涡核基本成一条直线,位于半翼展的中间位置并随着迎角的增加略向外侧偏移。但是在相同迎角下,黑脉金斑蝶前缘涡的涡破裂位置明显比天堂鸟翼凤蝶的涡破裂位置靠后,而且黑脉金斑蝶的前缘涡更为集中,说明在相同迎角下黑脉金斑蝶的前缘涡比天堂鸟翼凤蝶前缘涡更强。这与其涡核是一条直线,具有较大的轴向(流向)速度密切相关,可见黑脉金斑蝶具有较大的涡升力。结合前面的分析,我们可以推断出黑脉金斑蝶具有较大的升阻比,有很好的机动性,适应环境的能力强,它能够从加拿大出发跋涉4800km飞到位于墨西哥中部就是很好的证明。由于黑脉金斑蝶前缘涡比天堂鸟翼凤蝶更加稳定,前缘涡破裂后的紊流区域也比后者小很多。另外观察两类模型铂丝附近的倒流区,发现在小迎角(α=4°、8°)下两类模型均未出现倒流现象。但在α=12°迎角下,天堂鸟翼凤蝶模型的铂丝上游已经出现了小范围的倒流,而黑脉金斑蝶此时仍为顺流,而且在α=16°迎角时天堂鸟翼凤蝶的倒流区域也远远大于黑脉金斑蝶的倒流区域。这些现象说明相同攻角情况下,黑脉金斑蝶具有较好的气动特性,即较大的升力,较小的阻力,较高的升阻比和机动性等。

图2 前缘涡与翼尖涡Fig.2 Leading-edgevorticesandwing-tipvortices

2.2 分离泡和马蹄形尾迹

将铂丝向后移至前缘和身体相交的豁口处,天堂鸟翼凤蝶的铂丝位置为d=70mm、H=1mm,黑脉金斑蝶的铂丝位置为d=65mm、H=1mm,在相应位置处氢气泡时间线显示分离的气泡结构如图3所示。可见各迎角下黑脉金斑蝶的分离泡均比天堂鸟翼凤蝶的气泡结构更规则,外形轮廓更清晰,说明后者比前者更稳定,这与前缘涡的特征是一致的。由于各迎角下天堂鸟翼凤蝶的前缘涡破裂位置比黑脉金斑蝶靠前,分离泡和马蹄形尾迹结构会受到上游前缘涡结构的影响,因此前缘涡的提前破裂导致分离泡和马蹄形尾迹结构的紊乱。

2.3 后翼面绕流

前文在对天堂鸟翼凤蝶和黑脉金斑蝶的外形进行对比时曾提到,两者在后翼面形状和其在总翼面面积中所占比例上具有较大差异,因此这一部分将对两者后翼面上的流动结构进行对比研究。分别在两类模型后翼面翼展最宽位置处沿展向布丝,天堂鸟翼凤蝶的布丝位置为d=115mm、H=1mm,黑脉金斑蝶的布丝位置为d=105mm、H=1mm。

如图4(a)所示迎角α=8°时,黑脉金斑蝶后翼面翼端与前缘翼端一样开始出现明显的翼尖涡,但其强度远远小于前翼的翼尖涡。在α=8°时该翼尖涡并不明显,仅能看到流动有从下翼面向上翼面翻卷的迹象。但是在迎角α=16°时,后翼面翼尖涡绕流结构清晰,如图4(b)中矩形框内所示。同时在涡核顺流动向下游延伸的过程中,由于前翼面翼尖涡影响范围随迎角增加而扩大,该后翼面翼尖涡涡核被卷入其中。如图4左侧所示,在天堂鸟翼凤蝶后翼面绕流图中也可以看到后翼翼端有带状结构脱出,但该结构仅是后翼锯齿形翼端对流体粘性作用而产生的减速效果,并没有形成绕涡核旋转的涡结构,而且在从翼端脱出后该结构就被迅速地卷入前翼的翼尖涡绕流中。

图3 分离泡与马蹄形尾迹Fig.3 Separationbubbleandhorseshoewake

图4 后翼面绕流Fig.4 Wing-tip flow structure of under hindwings

通过以上实验分析可知,由于天堂鸟翼凤蝶与黑脉金斑蝶外形特征的不同,导致两者绕流结构的差异。对于前翼面两者的不同主要在于,黑脉金斑蝶的前缘较平直,弧度远远小于天堂鸟翼凤蝶,这点差异可能正是黑脉金斑蝶前缘涡涡核呈直线型,涡强度明显大于天堂鸟翼凤蝶而且涡破裂位置也比后者涡破裂位置靠后的主要原因。同时,黑脉金斑蝶的翼尖涡强度小于天堂鸟翼凤蝶,分离泡也比后者对称且稳定。分析两种蝴蝶的后翼面形状我们发现,黑脉金斑蝶的后翼面边缘光滑,形状类似于固定翼中的椭圆机翼,这种形状的机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点。天堂鸟翼凤蝶后翼面的边缘为锯齿形在低雷诺数下会增大模型的阻力,从这一点来讲黑脉金斑蝶后翼面的气动力特性优于天堂鸟翼凤蝶。

3 结 论

本文对天堂鸟翼凤蝶和黑脉金斑蝶模型在无动力平飞时的绕流结构进行了对比研究,分析了两种不同平面形状的蝴蝶模型绕流结构的异同,并对造成绕流结构差异的原因进行了深入地讨论。主要结论如下:

(1)在天堂鸟翼凤蝶和黑脉金斑蝶模型绕流结构随迎角变化的实验中,两种模型的前缘涡涡核逐渐偏离模型对称面而向两侧移动,涡破裂的位置都不断提前。翼尖涡强度随迎角增加均不断增强,卷起的圆锥形区域不断增大。分离泡在小迎角下流动结构较稳定,随迎角的增加气泡结构随中间带状高速区左右摆动,当迎角较大时该分离泡和马蹄形尾迹形成复杂的紊流。

(2)由于天堂鸟翼凤蝶与黑脉金斑蝶前缘弧度的不同,天堂鸟翼凤蝶前缘涡涡核在α＜12°时呈圆弧形,基本与其前缘平行;但黑脉金斑蝶前缘较为平直,前缘涡涡核在各迎角下均呈直线形,基本位于半翼展的中线位置,但在相同的实验条件下,黑脉金斑蝶前缘涡强度明显大于天堂鸟翼凤蝶,而且涡破裂位置也在后者涡破裂位置的下游。同时,其翼尖涡强度小于天堂鸟翼凤蝶,分离泡也比后者稳定。由于两种模型后翼面形状存在较大差异,黑脉金斑蝶后翼面翼端卷起翼尖涡并在迎角较大时卷入前翼面的翼尖涡中,但这一现象在天堂鸟翼凤蝶的绕流结构中却没有出现。

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