低密度环境下面向仿生扑翼的非定常空气动力学

《Biomimetics》：Unsteady Aerodynamics in Bio-Inspired Flapping Wings for Low-Density Environments

　　

扑翼飞行为火星大气等低密度环境中的空中机动提供了一种很有前景的解决方案，而传统旋翼飞行器在此类环境下面临显著的性能约束。然而，在低雷诺数（Reynolds number）条件下控制升力产生的气动与结构耦合机制仍未得到充分理解。本研究采用实验—数值一体化框架，考察一种仿生扑翼的气动弹性（aeroelasticity）行为与非定常空气动力学行为。研究人员利用高速成像提取代表性机翼运动学参数，包括扑动频率、扑动幅值以及旋转运动。基于雷诺数相似准则构建了一个几何缩比机翼模型，并采用有限元方法（finite element methods, FEM）分析其动态响应。通过模态瞬态模拟评估气动弹性行为，同时结合涡格法（vortex-lattice modelling）与计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）评估空气动力性能。结果表明，弯曲模态与扭转模态之间存在强耦合，且结构响应高度依赖于激励频率相对于固有模态的位置。近共振条件导致变形幅值放大，并出现显著的相位关系变化；与此同时，气动模拟显示升力产生由涡结构主导。这些发现为运行于低雷诺数与低密度飞行状态下的扑翼系统设计与分析提供了一个基于物理机制的理论框架。

该论文发表于《Biomimetics》，聚焦低密度环境，尤其是类火星大气条件下仿生扑翼飞行的非定常空气动力学与气动弹性耦合问题。研究背景在于，火星大气密度仅约为地球的1.3%，使飞行器处于低雷诺数流动区间，传统旋翼构型在升力生成方面受到明显限制。因此，借鉴昆虫在低雷诺数下通过前缘涡、延迟失速和尾迹相互作用实现高效升力维持的飞行机制，成为发展新型低密度环境飞行平台的重要方向。尽管已有仿昆虫扑翼微型飞行器（micro-air vehicles, MAVs）研究展示出扑翼推进的潜力，但昆虫翅的复杂刚度分布、被动形变模式及其与周围流场之间的耦合作用，在工程系统中仍难以准确复现。现有平台常采用刚性翼、均匀膜翼或简化脉络结构，虽然便于制造与实验，但难以精确调控刚度分布和形变特征，从而限制了对升力形成机制和结构—气动相互作用的深入理解。基于此，研究人员开展本研究，旨在建立一个由实验观测、结构建模和气动模拟组成的综合框架，以识别低雷诺数条件下仿生扑翼的基本控制机制，并为未来扩展至火星等低密度行星大气环境奠定基础。

在方法上，研究人员主要采用了三类关键技术。首先，基于自由飞行状态下西方蜜蜂（Apis mellifera）的7500 fps高速成像提取扑动运动学参数，包括扑频、扑幅、机翼旋转和翼尖轨迹，并测量机翼与虫体轴线夹角以重建瞬时扑动角。其次，利用蜜蜂前翅的光学显微图像进行仿生几何重建，在计算机辅助设计（CAD）环境中建立保留主要翅脉网络与平面形状的模型，并按雷诺数相似原则将其放大10倍，通过有限元分析（finite element analysis, FEA）开展模态分析与模态瞬态响应分析。再次，气动部分先采用非定常涡格法（Unsteady Vortex Lattice Method, UVLM）进行低保真预测，再使用ANSYS Fluent R24.2对10倍缩比的二维翼型截面开展层流、不可压缩、动态网格条件下的计算流体力学模拟，以分析前缘涡形成、尾迹演化与压力分布。

在研究结果方面，论文首先在“3.1. Kinematic Features of Flapping Motion”中给出了扑翼运动学特征。通过高速图像序列，研究人员提取到蜜蜂自由飞行时约215 Hz的扑动频率和约126°的大幅扑动角，表明在高升力工况下机翼表现出大幅度往复运动。研究还发现，机翼在整个扑动周期内持续发生旋转，说明平移与转动并非彼此独立，而是构成耦合运动。等效投影扭转角在周期内约于10°至接近90°之间显著变化，显示机翼旋转在时间上分布不均；前缘相对初始位置的位移则在周期中段达到峰值，且最大位移始终高于平均位移，反映出沿前缘方向存在空间不均匀形变。结合图像中观察到的翼膜变形，研究表明扑翼运动本身已体现出惯性、弹性和气动力共同作用下的内在耦合特征，而非单纯的外加运动输入。

在“3.2. Aeroelastic Response”中，研究人员分析了仿生翼的气动弹性响应。基于10倍几何缩比和平板均匀厚度模型，首先通过模态分析确定结构的主导变形模态，包括一阶弯曲模态与扭转模态，并据此构建瞬态响应工况。模型加载方式为围绕两个轴线的组合振动：沿展向方向的主振动，以及频率为其2倍的垂直方向次振动，以诱导弯曲—扭转耦合。研究设置了两个激励工况：一是激励频率为扭转固有频率的50%，二是激励频率等于扭转固有频率。结果显示，在低于共振的工况下，弯曲位移与扭转转角呈有界的耦合振荡，相图表现为受限轨迹，说明系统响应为准周期状态；而在接近扭转固有频率时，弯曲幅值随时间增长，相空间轨迹呈扩展趋势，反映出更强的模态相互作用与能量在弯曲和扭转之间的传递。由此可见，结构响应对激励频率相对于固有模态的位置极为敏感，近共振虽然有助于放大被动变形、增强扑翼运动效果，但也伴随动态不稳定风险。这一结果直接揭示了扑翼设计中“柔顺性—稳定性”平衡的重要性。

在“3.3. Aerodynamic Response”部分，论文分别报告了UVLM与CFD结果。在“3.3.1. UVLM”中，UVLM用于模拟155 Hz、58°扑幅条件下的扑翼悬停气动响应。结果显示，升力、诱导阻力和侧向力在周期内都呈现强烈时间波动，其中升力和诱导阻力出现尖锐瞬态峰值，俯仰力矩相较滚转和偏航分量占主导。然而，这些载荷与力矩中出现了明显的非物理性尖峰，尤其在换向过程中，先前脱落尾迹涡接近升力面配置点时，由于无黏位势流公式缺乏足够的涡核正则化处理，诱导速度趋于发散，导致数值奇异与气动力虚假放大。研究据此指出，UVLM虽能反映气动载荷的非定常性，但不足以可靠刻画强非定常扑翼流动中的分离、失速和前缘涡等关键物理过程。

在“3.3.2. CFD Results”中，研究人员借助二维刚性翼CFD模型进一步揭示真实流动机制。结果表明，机翼气动力高度依赖涡结构的时间演化。于特定扑动相位下，前翅前缘形成附着于弦向较大范围的前缘涡（leading-edge vortex, LEV），同时尾迹中存在多个异号涡，且前、后翅之间发生明显相互作用，形成强旋涡区；这类有组织的涡结构与较大的压力差共同对应较高瞬时升力。随着周期推进，前缘涡逐渐减弱并失去相干性，尾迹中的涡结构弥散，下游扩散增强，前后翅相互作用减弱，相应的压力系数分布趋于平滑，升力能力下降。当流场进入涡量较弱阶段时，两翼表面压差显著减小，说明涡诱导升力已经衰减；而在下一个周期开始前，新的剪切层又开始形成，标志着新一轮涡生成的起始。因此，CFD结果清楚表明，扑翼空气动力性能具有显著相位依赖性：强前缘涡与翼间相互作用阶段对应升力峰值，而涡破裂及流动重组阶段则对应气动性能降低。

讨论部分进一步综合了结构与气动结果。论文指出，扑翼性能由结构动力学与非定常空气动力学的强耦合共同决定。运动学分析显示出大扑幅和连续旋转，结构分析揭示弯曲与扭转间显著耦合，而这种耦合又会通过改变局部攻角和弯度分布反馈影响气动载荷，因此翼的被动变形并非次要现象，而是升力生成机制的内在组成部分。研究还强调，共振与模态相互作用具有双重效应：恰当调谐激励频率可增强被动形变并提高气动效率，但若响应失控，则可能诱发过大变形、稳定性下降与疲劳风险。在建模方法评价方面，论文认为UVLM适合快速获得初步非定常趋势，但在强非定常换向过程中存在明显局限；相比之下，CFD能够分辨黏性效应、前缘涡演化及尾迹脱落，更适合刻画低雷诺数扑翼流动。对于低密度飞行意义而言，研究表明，只有将气动弹性变形与涡主导升力机制协同考虑，才能更有效地支撑低密度环境中的扑翼设计。论文同时明确指出其局限性，包括二维刚性翼CFD假设、均匀材料结构模型以及未建立全耦合流固耦合（fluid–structure interaction, FSI）框架，因此当前结果应被视为面向高保真仿生扑翼模型发展的初步物理基础。

研究结论部分可概括并翻译如下：本研究考察了与低密度飞行状态相关的低雷诺数工况下，仿生扑翼的结构动力学响应与非定常空气动力学行为。研究人员采用结合运动学分析、结构建模和气动模拟的综合方法，分析了扑翼运动的控制机制。机翼几何来源于真实蜜蜂翅，而气动模型则基于从重建生物机翼中提取的二维截面翼型建立，从而保证结构表征与气动表征之间的形态一致性。结果表明，简化机翼模型呈现出弯曲与扭转耦合的动力学行为，且结构响应强烈依赖于激励频率相对于固有模态的位置。近共振条件会导致变形放大和相位关系演化，突显出在规定扑动激励下结构响应对模态相互作用的敏感性。从空气动力学角度看，不同建模方法的比较表明，低保真无黏方法难以捕捉高度非定常扑翼运动，而CFD能够分辨与低雷诺数升力生成相关的涡主导流动结构。总体而言，结构动力学与非定常气动机制之间的相互作用在扑翼行为中具有重要作用。该研究为未来发展具有可控结构柔顺性和非定常气动效应的仿生扑翼系统提供了一个初步的物理机制框架。同时，论文也指出当前简化框架的局限性，包括均匀材料属性、二维刚性翼气动模型以及缺乏完全耦合的流固相互作用；未来工作将聚焦于引入空间变化刚度分布、气动与结构阻尼，以及面向类火星大气条件的三维全耦合气动弹性模拟。