蚊子飞行的运动学观测及非定常高升力机理研究

批准号:
11672023
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
孙茂
依托单位:
学科分类:
A0903.空气动力学
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
柳龙贵、程欣、朱豪杰、毕洪潇
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中文摘要
申请人从他人及本人拍摄的照片中注意到: 蚊子翅膀的拍动幅度(约40°)远小于以往研究过的昆虫(蝇、蜂、蛾等) 的拍动幅度(只有它们的1/4)。因而,蚊子可能有新奇的拍动方式和高升力机制。本项目选择典型蚊子,对其的悬停和低速前飞进行运动学测量(包括身体运动和翅膀拍动运动);基于已知的翅膀运动,数值求解N-S方程,获得拍动翅的流场、气动力和能耗;结合翅膀运动和流动结构,用涡动力学理论分析气动力机制和能耗规律。揭示蚊子的新奇拍动方式和新高升力机制,可为生物学家研究昆虫生理、行为、进化等问题提供力学依据;更重要的是,可为工程师发展微/纳型飞行器提供新概念和新原理,还可能为改善通常的飞行器及其它流动装置提供新思想。
英文摘要
Mosqitoes have very small stroke amplitude (about 40°), only 1/4 of that of past-studied insects (flies, bees, moths, etc.), and they must use different flapping kinematics and lift-production mechanism from the past-studied insects. In the proposed project, we measure the flapping kinematics of the wings of typical mosquitoes in free flight;, based on numerical solutions of Navier-Stokes equations and vorticity dynamics theory, study the aerodynamic mechanisms and flight power requirement. The study has potential applications in the development of micro-air-vehicles, and the result will also be very useful to biologists who study insects’ comparative biology, neuro-biology, behavior, evolution, etc.
本项目以埃及伊文为研究对象,研究了蚊子在悬停时的运动学规律、气动力机制、能耗以及稳定性的问题。首先用测量了蚊子悬停时的运动学和形态学数据。蚊子的拍动可以分为三个阶段:第一个阶段,拍动开始阶段,翅膀快速向前和向下加速,并快速下俯;第二个阶段,拍动中部,翅膀以较大的速度近似等速运动,同时快速上仰;第三阶段,拍动结束阶段,翅膀快速减速,同时上仰到竖直位置。然后使用数值方法求解不可压 Navier-Stokes方程,得到了蚊子悬停飞行的气动力和详细的流场,之后采用涡动力学理论和附加质量理论来对流场进行分析,揭示了蚊子悬停飞行的非定常产气动力机制:蚊子在下拍(或上拍)过程中,升力和阻力都有三个峰,前两个峰占主要作用。第一个峰主要是因为附加质量效应,由于蚊子拍动幅度小,加速度大,附加质量力比其他大幅度拍动昆虫大很多。第二个峰主要是由于“快速上仰机制”:翅膀在向前运动的同时快速上仰,在翅膀前缘和后缘附近产生方向相反的涡量,导致涡量矩随时间的快速变化,从而产生大的气动力。其他大幅度拍动昆虫第二个峰主要是“不失速机制”,气动力是由两个相反方向的涡的相对运动而产生的。接着研究了蚊子悬停的能耗规律。蚊子拍动频率虽然很高,但由于翅膀质量小,惯性功不大,能耗主要是气动功产生的。因惯性功不大,故肌肉是否有弹性储能作用并不重要。当假设蚊子用较大拍动幅度,较低频率拍动(以保持升力平衡重量)时,能耗会小一些;这表明蚊子用小幅度、高频拍动不是能耗最佳状况,可能是为了在重量需要大大增加时(如吸血后)方便增大拍动幅度以增大升力。最后研究了蚊子悬停时的稳定性。蚊子的稳定性模态结构和其他昆虫类似,横向和纵向都是不稳定的。三个纵向模态为:不稳定振荡模态、稳定快速衰减模态和稳定慢速衰减模态;三个横向模态为:不稳定发散模态、稳定振荡模态和稳定衰减模态。蚊子张开的腿对稳定性有好的影响:使不稳定模态的特征值减小了约 11%,使扰动发散的更慢。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.2514/1.j055739
发表时间:2018-01
期刊:AIAA Journal
影响因子:2.5
作者:G. Luo;G. Du;M. Sun
通讯作者:M. Sun
The added mass forces in insect flapping wings
昆虫扑动翅膀时增加的质量力
DOI:10.1016/j.jtbi.2017.10.014
发表时间:2018-01-21
期刊:JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY
影响因子:2
作者:Liu, Longgui;Sun, Mao
通讯作者:Sun, Mao
DOI:10.1088/1748-3190/aad212
发表时间:2018-07
期刊:Bioinspiration & Biomimetics
影响因子:3.4
作者:Chong Shen;Yanpeng Liu;Mao Sun
通讯作者:Mao Sun
Unsteady aerodynamic force mechanisms of a hoverfly hovering with a short stroke-amplitude
气垫飞行器短行程幅度悬停的非定常气动力机制
DOI:10.1063/1.4997200
发表时间:2017-08
期刊:Physics of Fluids
影响因子:4.6
作者:Hao Jie Zhu;Mao Sun
通讯作者:Mao Sun
DOI:10.1088/1748-3190/aa934b
发表时间:2017-12
期刊:Bioinspiration & Biomimetics
影响因子:3.4
作者:Chong Shen;M. Sun
通讯作者:Chong Shen;M. Sun
极小昆虫飞行的运动学观测及空气动力学、力能学和飞行力学研究
- 批准号:11832004
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:280.0万元
- 批准年份:2018
- 负责人:孙茂
- 依托单位:
昆虫前飞的运动学观测及空气动力学和飞行力学研究
- 批准号:11232002
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:300.0万元
- 批准年份:2012
- 负责人:孙茂
- 依托单位:
昆虫飞行的动稳定性与控制研究
- 批准号:10732030
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:180.0万元
- 批准年份:2007
- 负责人:孙茂
- 依托单位:
昆虫机动飞行的运动学观测及流体动力学和动力学机理研究
- 批准号:10472008
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:28.0万元
- 批准年份:2004
- 负责人:孙茂
- 依托单位:
微型飞行器的仿生流体力学研究
- 批准号:10232010
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:150.0万元
- 批准年份:2002
- 负责人:孙茂
- 依托单位:
旋转和三维效应对升力面的非定常分离流动的影响
- 批准号:19472009
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:6.5万元
- 批准年份:1994
- 负责人:孙茂
- 依托单位:
非定常分离流,旋涡及动态失速机理的实验和理论研究
- 批准号:18902002
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:2.8万元
- 批准年份:1989
- 负责人:孙茂
- 依托单位:
国内基金
海外基金
