最优扑翼运动学的现象学与标度律
流体动力学
2020-12-09 v2
摘要
生物扑翼飞行者在广泛飞行条件下高效且稳健地运行,是工程师的巨大灵感来源。扑翼的非定常空气动力学由大规模涡结构主导,这些结构增强了气动性能,但对机翼驱动中的微小变化十分敏感。我们通过进化算法以及机翼根部原位力和力矩测量,在悬停状态下实验优化扑翼系统的俯仰角运动学,以最大化冲程平均升力和悬停效率。还进行了额外的流场测量,将涡流动结构与帕累托最优运动学的气动性能联系起来。产生最大冲程平均升力系数的优化俯仰角剖面呈梯形且具有高平均攻角。这些运动学在周期早期产生强前缘涡,增强了机翼上的力产生。最高效的俯仰角运动学类似正弦演化且具有较低平均攻角。前缘涡增长较慢并在冲程周期大部分时间内保持贴近机翼。这需要较少的气动功率,并将悬停效率提高93%,但牺牲了43%的最大升力。在所有情况下,前缘涡通过前缘剪切层由涡量补给,这使得剪切层速度成为涡增长及其对气动力影响的良好指示量。我们仅从输入运动学估算前缘处的剪切层速度,并用它来标度环量和气动力的平均值及时间分辨演化。
引用
@article{arxiv.2007.15729,
title = {Phenomenology and scaling of optimal flapping wing kinematics},
author = {Alexander Gehrke and Karen Mulleners},
journal= {arXiv preprint arXiv:2007.15729},
year = {2020}
}