仿鸟羽毛扑翼气动性能分析

(北京信息科技大学 机电学院，北京 100192)

引言

扑翼仿鸟羽毛型飞行器是一种模仿鸟类扑翼飞行的新型飞行器，通过扑翼飞行使扑翼在扑动的过程中，同时产生向上的升力和向前的推力[1]。在空中飞翔时，鸟类可以任意改变飞行方式，很灵活，具有很高的机动性能，所以扑翼飞行成为了研究的热点。由于其良好的气动效率、隐蔽性、低噪声等，在军事和民用领域具有广阔的前景。RAMAMURTI等[2]采用数值模拟方法模拟了果蝇的三维非定常流动，计算得到气动力特性结果与实验测值相吻合。

陈利丽[3]仿真分析发现柔性扑翼的升力和推力特性受弯曲变形和扭转变形运动的综合影响。孙茂[4]通过实验观测蜂蝇的快速起飞过程，并计算分析其中的力学过程，处理所测得数据得到起飞过程中的惯性力和力矩，计算翅膀拍动产生的气动力，由力学平衡得到腿部作用力。魏德宸等[5]设计了一种包括鸭翼、脊型前体、边条翼、主翼和垂尾的模型，进行了自由滚转、扰动滚转、静动态测力等多种技术相结合的风洞试验。曾锐[6]用非定常涡格法计算变速-折叠扑翼仿鸟扑动模型，研究表明，折叠运动得到的平均升力系数比刚性运动更高。文献[7]研究了八哥翅翼形态与飞行能力的关系，八哥起飞时，要具有很大的爬升角且此时八哥的翅翼的翼尖是圆形的。起飞时，爬升角比较小的情况下，翅翼的翼尖是尖形的。不同的翼尖形状对鸟类起飞，有很大的影响。文献[8]提出翼型具有羽毛盖，其形状和面积与基翼相同，主结构骨架也是相同的，它由前翼梁和斜梁组成。飞行翼上的羽毛顺序就像鸟翼的排列，在2个相邻的羽毛中，靠近翼尖的在下面，而在翼根附近的在上面。

鸟类飞行是通过翅膀灵活运动和羽毛共同作用产生升力和推力。鸟的羽毛是鸟类适应飞行生活最具独特性的构造，羽毛为鸟翅膀提供流线外形、减小身体重量等方面具有非常重要的作用。羽毛覆盖了鸟的全身，具有可再生及防水的作用，羽毛与骨骼组成的翅膀有利于鸟类飞翔[9]。

1 鸟类羽毛的组成及作用

1.1 鸟翅羽毛构成

鸟类翅膀羽毛分布如图1所示，可分为以下几类[10]：

初级飞羽，分布在指骨肌肉的外部，构成了翅膀的外翼部分，占翅膀整个面积的30%～40%。在指骨运动和肌肉收缩的带动下，初级飞羽有较大运动幅度，是气动力的主要来源[10]。初级飞羽中的单根羽毛形状类似船桨，有些初级飞羽还能够参与一定的独立运动。

图1 鸟翅膀的羽毛

次级飞羽，覆盖在上臂处的尺骨肌肉外部，形成了翅膀的内翼部分，在上臂关节和肌肉的带动下，羽毛内翼面也会随之运动。由于次级飞羽具有较大的弧度，所以升力更容易产生。

三级飞羽，位于鸟类翅膀的根部和身体连接处的羽毛，鸟类的翅膀与身体之间形成一个光滑气动面，让气流顺利流过，预防紊流产生，一般而言，以滑翔飞行为主的大型鸟类都具有三级飞羽。

覆羽，长在鸟类身体的外表面及其翅膀的背部，让鸟类身体和翅膀看起来像流线似的，并提供一定升力及可以减少一些阻力[11]。

1.2 单根羽毛结构特点

单根羽毛的形状类似船桨，并且具有精细的结构。羽毛由羽茎、羽枝和羽枝小钩等组成。羽毛整体叶面像平滑的流线似的，并且具有一定的弯曲度。羽茎的外侧长有羽枝的部分是羽轴，羽轴是实心结构。羽茎不仅有较高强度和韧性，还有非常轻的重量。羽轴横向有大量羽枝，羽枝上长着许多的小羽枝和羽枝小钩，它们相互交织在一起，形成一个平滑的像流线似的羽毛叶面[12]，羽毛整体结构如图2所示。

图2 羽毛的结构

为了满足飞行姿态变化的不同需要，鸟类在飞行时，翼面形状、翼面面积、展向弦长、翼型形状都在变化。一般而言，体积较大的鸟类，它们拥有大展弦比翼面和较大面积的尾翼，以增大升阻比，减少能量消耗；体积较小的鸟类，拥有小展弦比翼面和剪刀状尾翼，以提高气动面的灵活性。

2 建立模型

2.1 羽毛建模

羽毛建模对海鸥翅翼的初级飞羽、次级飞羽和初级飞羽覆羽进行测量，测量了海鸥翅翼的初级飞羽、次级飞羽和初级飞羽的羽干长度、内羽片面积、外羽片面积，测量结果如表1所示。

表1中测的是静态数据，在实际飞行中，鸟类姿态在不停地变化，羽毛的姿态也要变化，取静态数据的平均值，从初级飞羽的羽干长度来看，前3根飞羽的羽干长度较大，这说明这3根飞羽构成了翅翼的羽尖形状。其它初级飞羽羽干长度较接近,外羽片面积是减少的，内羽片面积也是减小的且内羽片面积大于外羽片面积。而次级飞羽的羽干长度也比较接近，外羽片面积小于内羽片面积。初级飞羽和次级飞羽排布，形状决定了翅膀的形状。但初级飞羽的内外羽片面积存在较大差异，从外羽片面积，内羽片面积后面6根飞羽也是较接近的。

表1 初级飞羽与次级飞羽的测量结果

注：A1代表羽干长度，mm；A2代表外羽片面积，mm2；A3代表内羽片面积，mm2。

图3 相邻羽毛间的重叠

由表1可以看出，前3根初级羽毛的羽干比其他初级飞羽长，外羽片面积比其他初级飞羽大，内羽片面积其他初级飞羽大。相邻羽毛间的重叠如图3所示，观察羽毛可以发现第1根初级飞羽前缘比其它初级飞羽的前缘锋利，且第1根初级飞羽的外羽片比较窄及具有不对称性外羽片和内羽片，造成这种结构的原因有以下三方面：第一是羽毛外羽片面积比较小且都向斜上方生长，这样的结构使初级飞羽的迎风面积大大减少了；第二是前3根初级飞羽具有像流线似的相同结构，形成了海鸥翅膀的翼尖，这样的结构有利于提升飞行能力，降低飞行中的阻力；第三是前3根羽毛具有不对称的初级飞羽和次级飞羽，在重叠区域内形成了一部分通道如图3所示。当翅膀上下扑动时空气会经过缝隙穿过外羽片进入重叠区域，而空气不能穿过内羽片，因此大量的空气会沿着羽轴向后喷出，给羽轴一个向前的力，有利于鸟类飞行。

基于以上分析，取相关尺寸建立如图4所示模型。

图4 羽毛的模型

2.2 扑翼仿鸟羽毛型飞行器三维模型

扑翼仿鸟羽毛型飞行器越轻，越有可能在空中飞行，能量消耗越少，飞行时间越长.根据扑翼飞行器整体结构尺寸，其质量大约为500 g。m为飞行器的质量，根据表2算得如下尺寸：

全翼展L=1.17m0.39=0.893

翼面积S=0.16m0.72=0.0971

双翅拍打频率f=3.87m-0.33=4.865

机翼弦比长b=S/L=0.1087

表2 鸟类身体质量与其扑翼飞行参数的关系[13]

当鸟类在空中飞行时，根据飞行状态的不同，扑动频率也不同，且在一定范围内变化[14]。不同体型的鸟类，扑动频率有很大的不同，一般来说，体型越大的鸟，扑动频率越低，体型越小，扑动频率会越高[15]。

采用扑翼仿鸟羽毛型飞行器的整机模型如图5所示。

图5 扑翼仿鸟羽毛型飞行器

工作原理如图6所示：

电机带动齿轮1转动，齿轮1与齿轮2啮合，齿轮1带动齿轮2转动，实现一级减速，齿轮2带动相应的轴转动，轴带动齿轮3转动，齿轮3带动齿轮4转动，实现二级减速，齿轮4带动齿轮5转动，齿轮5与齿轮6啮合，由于齿轮5与齿轮6直径大小完全相同，所以齿轮5与齿轮6等速传动，齿轮5与齿轮6通过对应的轴分别带动各自的曲柄转动，曲柄带动连杆运动，连杆带动相应的摇杆上下扑动,羽毛在摇杆的带动下，参与相应的运动。

图6 机翼工作原理图

3 羽毛CFD分析

3.1 羽毛CFD模拟计算

用SolidWorks建好模型，导入到DesignMolder中，用Meshing划分网格如图7所示，检查网格质量，质量较好，导入到Fluent中。由于机翼的扑动速度比较小，模型选择SST k-omega模型，边界条件：入口设置为速度入口，其他壁面设为压力远场，本研究取流速为5 m/s，马赫数为0.01471。

图7 单根羽毛网格划分

图8所示的是单根羽毛的压力云图，从羽柄到羽轴，压力逐渐增大，靠近羽柄的羽枝形成的流线型叶面压力是比较大的，提供较大的升力，羽轴处的羽枝形成的流线型叶面压力是比较小，提供较小的升力。

图8 羽毛的压力云图

3.2 羽毛弯曲角度对羽毛气动性能的影响

图9所示的是羽毛弯角分别是1°,2°，3°，4°，5°，6°，羽毛速度云图比较，羽毛弯曲时，伴随着非常复杂非定常空气流动，羽毛上下流线型叶面会形成速度差，且强度是先增大后减小。

3.3 羽毛弯曲过程升、阻力分析

在Fluent中监测升力系数和阻力系数，流速为5 m/s 时，时间步长设定为0.01 s,计算320步，320次迭代后，羽毛的升力系数和阻力系数曲线如图10和11所示。

由图10和11可以看出，当来流速度为4 m/s时，升力系数与阻力系数起始阶段波动比较剧烈，但当升阻力系数达到最大值或最小值时，会出现出现骤变，其后渐渐平缓。说明流速不大时，在起始阶段，羽毛的升阻力会有较大波动。仿生扑翼飞行器是通过机翼的上下摆动带动羽毛弯曲，从而产生升力，这对扑翼飞行器的升阻力有重要影响。

由图12和13所示，分别显示了升力，阻力随羽毛弯角的变化，流速为5 m/s时，在一定羽毛弯角范围内，弯角为1, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°，升力是增大，阻力是先减小后增大。图14显示在羽毛弯角为2°时，升阻比达到最大。

图9 不同弯角下的羽毛压力云图

图10 羽毛的升力系数曲线

图11 羽毛的阻力系数曲线

图12 升力曲线图

图13 阻力曲线图

图14 升阻比随角度变化

4 结论

本研究建立了扑翼仿鸟羽毛型飞行器及单根羽毛模型，基于Fluent分析了羽毛的气动特性，分析了羽毛弯角对羽毛气动性能的影响。羽毛升力系数随羽毛弯角的变化，为计算单根羽毛最大能提供多大升力提供依据。