扑动中具刚毛翼对的空气动力相互作用

体长小于 2 mm 的微小飞行昆虫利用具刚毛翅膀的“拍合-扑动”机制,在基于弦长的雷诺数 ($Re$) 为 $\mathcal{O}$(10) 量级时增升减阻。我们在 $Re$=10 下考察扑动中具刚毛翅膀的翼-翼相互作用,将其作为初始翼间距 ($\delta$) 以及旋转与平移重叠程度的函数。采用动态缩放机器人平台驱动具刚毛翼对的物理模型,其运动学如下(所有角度相对于竖直方向):1) 绕后缘旋转至角度 $\theta_\text{r}$;2) 以固定角度 ($\theta_\text{t}$) 线性平移;3) 旋转与线性平移组合。结果表明:1) 周期平均阻力系数随 $\theta_\text{r}$ 和 $\theta_\text{t}$ 增大而减小;2) $\delta$ 减小因前后缘涡环流不对称性增强而提高升力系数。引入一个新的无量纲指标——反向流容量(RFC),用于量化具刚毛翼通过刚毛渗漏流体的最大可能能力。尽管 RFC 更大,较小 $\delta$ 和 $\theta_\text{r}$ 下的阻力系数反而更大,这很可能是由于刚毛周围剪切层对刚毛间流动的阻塞所致。早期旋转中较小 $\delta$ 导致翼间形成强正压分布,从而增大阻力。正压区随 $\theta_\text{r}$ 增大而减弱,进而减小阻力。已有报道指出微小昆虫在扑动中使用较大旋转角,我们的发现表明一个可能原因是为了减小阻力。