昆虫的高升机理.doc

作者姓名：吴江浩论文题目：昆虫的高升力机理及果蝇、熊蜂、鹰蛾前飞时的气动力和能耗作者简介：吴江浩，男，1976年9月出生，1999年9月师从于北京航空航天 大学孙茂教授，于2004年3月获博士学位中文摘要20世纪末，人们提出了微型飞行器的新概念曲于微型飞行器冇十分重要的应用前景，许 多研究机构积极开展微型飞行器的研制工作厘米量级的微型飞行器与自然界中的飞虫在大小上 接近，因此，研究昆虫的飞行机理对微型飞行器的设计有重要的指导作用昆虫飞行具有小雷诺 数、高非定常性和高机动性的特点，研究此类新流动现彖，可以丰富流体力学理论知识昆虫飞 行机理的研究成果在昆虫生态学，生理学，行为学及进化等领域也发挥着重要作用因而，昆虫 飞行机理的研究冇重要的应用背景；昆虫飞行机理问题是当前流体力学研究的前沿问题，也是生 物学研究的重要问题早期的研究工作中，人们试图用准定常空气动力学理论来分析昆虫的飞行，发现所得升力不 能平衡昆虫体重，当然更无法解释昆虫机动飞行时所需的高升力这表明昆虫是用非定常效应来 产生足够的气动力的90年代，人们开始研究昆虫的非定常流动过程及其机理1996年Ellington 等在鹰蛾翅膀的流动显示实验中发现了询缘涡不脱落现象并由此提出“不失速机制\ 1999年 Dickinson等制作了果蝇翅膀的自动拍动模型，测量了气动力随吋间的变化，证实了 Ellington的 发现。

但不失速机制的物理成因还不清楚人们通过实验测量和数值模拟的方法研究昆虫飞行的气动力多限于个别对彖（如鹰蛾和杲 蝇）的悬停飞行不同昆虫翅膀尺寸大小不同，拍动参数（如拍动幅度，频率等）也不同拍动 翅的气动力是怎样随这些参数变化的，高升力机制是否在整个参数的变化范围内都存在等问题目 前尚不清楚过去受实验条件的限制，人们对昆虫飞行的研究多限于悬停昆虫多数时间是在一定的速度 范围内飞行，而非只是悬停前飞与悬停最大的区别在丁•翅膀拍动平而在不同速度下向前倾斜不 同的角度，除了升力平衡重力外，推力要平衡身体阻力此时是否有新的气动力机制还不清楚 另外，生物学家为了分析昆虫飞行方式对■其生态学，生理学以及进化等方面的影响，迫切的希累 了解其飞行的能耗及能耗随飞行速度的变化，口前这方面的研究还未开展针对上述问题，本文作了如下研究首先，通过对N-S方程及拍动运动的无因次化，确定 支配拍动翅气动力系数的无因次参数及这些参数的变化范围，探讨大小不同的昆虫（在悬停飞 行时）是否是用相同的高升力机制一一不失速机制——产生升力的然后，设计专门的数值实验, 研究前缘涡不脱落的物理原因（前缘涡不脱落导致了不失速机制这一高升力机制）。

最后，研究 昆虫前飞时的高升力机制并研究昆虫飞行的能耗问题木文采用拟压缩性方法数值求解三维不可 压N・S方程作为研究方法；在研究新问题之前，用相关实验结果对数值方法及程序进行了详细 的验证关于支配参数及高升力机制的研究，有如下结果：影响气动力系数的无因次参数为：雷诺数 Re,拍动幅角①，拍动攻角如，翅膀翻转吋间X和前进比八斯特劳哈尔数S/恒为1）不同 昆虫的①，召及的变化不大（①为120左右，冷在30之间变化，"「约为拍动周期 的25%）,而雷诺数的变化范围较大（屉=10・10000）故悬停时（丿=0）气动力系数的变化主要 受雷诺数支配发现存在一“临界雷诺数”（屉=100）：当屉大于约100时，平均升力系数随屉 的变化不大，其主要由不失速机制产生；当屉小于约100吋，平均升力系数迅速减小这表明, 屉约在100 （翅长约在2・3mm）以上的昆虫悬停飞行的升力主要由不失速机制产生；雇在儿十 （翅长约在1mm）以下的昆虫，除不失速机制外，述需要其它高升力机制，上述研究成杲发表丁•国际著名刊物Journal of Experimental Biology （2004；影响因了 2.5）, 并在短期内被国外学者他引6次（其中5次为SCI他引，1次为AIAA Meeting他引；详见证明 材料）。

关于前缘涡物理成因的研究，有如下结果：拍动起动后，市于攻角大（am=30°-50°）, 流动在前缘分离而产生前缘涡；拍动过程中，翅膀相对速度沿翅展向的变化产生了沿此方向的压 力梯度，英产生并维持了从翅根到翅尖的展向流动；此展向流动携带前缘涡中的涡量从翅根对流 到翅尖，从而使前缘涡不脱落（失速不发生）上述研究成果发表于Acta Mechnica Sinica （2004）上该论文在短期内被SCI他引1次（详 见证明材料），并被University of Tennessee Space Institute的Jie-Zhi Wu教授在其最近出版的专著 "Vorticity and Vortex Dynamics” 中用较大篇幅介绍，其中写到：“To further understand the physics （of delayed stall mechanism）, Sun and Wu conducted a Navier-Stokes computation of a thin wing which rotates azimuthally by 160 at constant angular velocity and angle of attack after an initial start", "The authors further found that the key mechanism for the leading-edge vortex to remain attached is a spanwisc pressure gradient （at 7?^=8OO and 3200）, and its joint effect with centrifugal force （at/?f=200）. ”（详见证明材料）。

关于昆虫前飞的升力机制及飞行能耗的研究，有如下结果：1） 关于前飞的高升力机制：低速前飞（前进比J<0.2）时，与悬停（丿=0）类似，产生升力 的机制主要为不失速机制中等速度（川0.3）和高速（丿>0.4）而飞时，气动力主要由下拍产生, 下拍中除不失速机制外，还存在另一高升力机制，我们称为“快速上仰机制”：翅膀在下拍后期 向上翻转，由于昆虫的向前运动，翅膀实际上是在来流中快速上仰，流场信息和旋涡动力学理论 表明，该种运动可产生很大的升力2） 关于飞行的能耗：大小不同的昆虫，尽管翅长相差约30倍（体重相差约几千倍），悬停 飞行时的比功率（需用功率除以质量）均在20-40 Wkg1 Z间而飞时，比功率与悬停时几乎相 同，到某一很人的速度时才迅速增人（人们曾测量过若干昆虫飞行时的耗氧量，发现其几乎不随 前飞速度变化，而推想飞行的需用功率不随飞行速度变化，这些工作支持这一推想）比功率随 前飞速度的增加开始不变化，高速时才迅速增大，即比功率随飞行速度的变化关系近似为“J” 形曲线，而不像飞机的那样为U形曲线这可以解释昆虫为何可以在从悬停到中等速度范围内 的任一速度下做长时间飞行，而不像飞机那样需要在某一速度下巡航飞行。

上述研究成果分别发表于国际著名刊物Journal of Experimental Biology （2003；影响因子2.5） 和Acta Mechnica Sinica上其中发表于Journal of Experimental Biology的论文已被中国科学院院 院士童秉纲教授在《力学进展》（2004, Vol.35, No.l）关于飞行和游动的生物力学的综述文章中评 价：“率先对果蝇在不同前飞速度下的非定常气动力、流场结构和所需功率作了数值分析，并给 出了功率随前飞速度变化的J形功率曲线”（详见证明材料）；两篇论文在短期内被国内外学者他 引4次，其中2次为SCI他引，1次为EI他引（详见证明材料）关键词：果蝇，熊蜂，鹰蛾，昆虫，前飞，非定常高升力机理，N-S方程数值 模拟仿生力学High Lift Mechanisms of Insect and Force and Power Requirements inFruit Fly、Bumblebee and Hawkmoth Forward FlightWu Jiang HaoABSTRACTAt the end of the twentieth century, engineers and scientists first described the creative concept about MAV (Miero・Air Vehicles) and its fundamental application in future. From then on, lots of research institutions and organizations had put tremendous efforts on this field, and also, on the research about the mechanics of insect flight which gradually became an important direction for the design of MAV because of the similar dimension between insects and MAV especially those small size about lcm. In addition, researches on this unusual flow phenomenon resulted by insect flight (low Reynolds number, unsteady and maneuverability) can expand our understanding and theory about fluid mechanics, and at the same time, play an significant role to impulse the development of ecology, physiology, behavior, evolution and other fields of insects. So, the researches on mechanics of insect flight have become more and more popular and important on fluid mechanics as well as biology.The early research on this field focused on the analysis and calculation of the lift and power of insects under quasi-steady assumption that indicated that the lift calculated cannot balance the body weight of insects and, in addition, failed to explain the high lift generated during maneuverable flight. So, scientists supposed that this high lift is generated by unsteady aerodynamics instead of steady theory and then put more efforts on the research of unsteady flows as well as its mechanics since 1980。