蝙蝠翅膀耦合气动结构动力学的数值建模与分析

我们采用一种新型计算建模框架，对蝙蝠仿生膜翼的气动-结构相互作用进行高保真直接数值模拟。蝙蝠翅膀由弹性膜支持，由高度关节化的脊椎构成，使其在飞行过程中能够实现对翅膀运动和变形的局部控制。通过建模这些复杂变形以及真实的翅膀运动与周围气流的相互作用，我们期望获得对这些独特翅膀性能的新见解。该模型通过融合脊椎关节运动的实验测量数据，指导流体-结构相互作用仿真，实现了高度的真实性。仿真结果表明，翅膀的不同段落发生显著的气动弹性变形，对流动动力学和气动负载产生影响。具体而言，仿真显示翅膀不同区域在产生升力、阻力和推力方面的有效性存在显著差异。我们采用力量分区方法分析翅膀上压力负载的因果性，表明涡旋诱导的压力力为主导因素，而添加质量对气动负载的贡献微乎其微。该方法还阐明了各种流动结构在塑造压力分布中的作用。最后，我们将完全关节化、柔性的蝙蝠翅膀与由相同运动学参数衍生的刚性翅膀进行比较，表明翅膀关节化和变形对气动效率具有决定性影响。