题目:食蚜蝇的运动学观测,气动力与飞行稳定性研究

本文对自由悬停飞行和悬停附近作机动飞行的食蚜蝇的运动学数据进行了系统测量,并使用数值模拟的方法研究了食蚜蝇悬停飞行时的气动力机理,能耗以及动稳定性与控制问题。使用三台高速摄像机从三个视角拍摄了食蚜蝇悬停时和悬停附近作机动飞行时的图像,利用立体视觉原理重建食蚜蝇真实翅膀和身体在空间中的位置和姿态,获取了其翅膀和身体完整的运动学数据。实验数据表明:食蚜蝇在拍动平面倾斜悬停飞行时翅的拍动角近似按简谐波函数规律随时间变化,拍动幅度(约为65°)要比正常悬停的昆虫小很多;攻角在上下拍的中部近似为常数且差别较大,下拍中部的攻角为50°左右,上拍中部的攻角为20°左右;抬升角较小,在上下拍起始和结束时刻要比拍动中部的大,这样就使得翅尖的拍动轨迹呈现出浅“U”型;食蚜蝇在平衡附近做机动飞行时,是通过改变翅的拍动幅度、拍动平均角以及上下拍攻角来控制其飞行姿态的。应用计算流体力学方法研究了食蚜蝇悬停飞行时的气动特性。气动力的计算结果表明:食蚜蝇在以拍动平面倾斜的状态进行悬停飞行时,维持其体重所需的举力80%以上由下拍产生,这与水平拍动的情形(上下拍共同产生举力)不同;该举力是由翅膀的升力和阻力共同贡献的,这也与水平拍动的情形不同(水平拍动时举力由翅膀的升力贡献)。利用计算得到的气动力矩和惯性力矩探讨了食蚜蝇悬停飞行时的能耗问题:食蚜蝇在拍动平面倾斜悬停时气动力消耗的功率主要集中在下拍阶段,约占80%,这与正常悬停时上下拍消耗的气动功率近似相等的情形不同,但其总的能耗与正常悬停的食蚜蝇的能耗接近。最后研究了食蚜蝇悬停飞行时的动稳定性与可控性。结果表明:食蚜蝇的纵向扰动运动存在三个特征模态:不稳定振荡模态,快衰减模态和慢衰减模态。这与昆虫正常悬停时的结果类似。虽然食蚜蝇的悬停飞行是不稳定的,却是可控的:通过改变翅膀的拍动角和上下拍攻角,可以控制不稳定模态。

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