繁星 力学说 2026年1月7日 08:51 河南

前言

蜻蜓是自然界中飞行能力极为出色的一种扑翼昆虫，其翅膀上分布着明显的褶皱结构。南京航空航天大学史志伟教授团队为了探究不同的褶皱分布形式对翼型气动特性的影响，参考蜻蜓翅膀设计了前缘褶皱、后缘褶皱、全褶皱与平板4种翼型，采用计算流体力学方法，针对滑翔和扑动两种飞行姿态分析了低雷诺数环境下（Re=1000～2000）翼型的气动特性。结果表明：在滑翔状态下，褶皱回流区内会产生负摩擦阻力，前缘褶皱翼型具有更低的阻力，后缘褶皱翼型则具有更高的升力与升阻比。在迎角10°时，后缘褶皱相对平板翼型的时均升力系数提高了23.1%，时均升阻比提高了9.1%；在大迎角下，褶皱对升阻比几乎没有影响。流场分析显示，后缘褶皱增大了前缘涡的强度，提高了褶皱上游的表面压强差。在扑动状态下，后缘褶皱可以降低上扑冲程产生的负升力，从而提高周期平均升力。在此基础上，全褶皱翼型因上下冲程启动阶段更为明显的旋转环流机制而具有最大的周期平均升力。本研究表明，调整褶皱分布形式是实现翼型气动优化的有效方案。

研究成果以“Numerical investigation on aerodynamic characteristics of dragonfly corrugated airfoils in gliding and flapping flight”为题发表于空气动力学学报。本文第一作者：南京航空航天大学职启迪。

图文速览

图1：扑动姿态运动规律曲线与运动轨迹示意图

图2：计算域、边界条件与网格示意图

图3：时平板翼型与褶皱翼型的涡量图

文章小结

本文设计了3种褶皱分布形式的蜻蜓级尺寸翼型，在低雷诺数条件下，结合气动参数与流场结构分析了滑翔与扑动过程中不同褶皱分布形式对翼型气动性能的影响，并与平板翼型进行了对比，发现不同的褶皱分布形式在滑翔与扑动姿态下有着不同的气动优势，得到主要结论如下：1） 褶皱翼型以零迎角滑翔时，回流区中的驻涡会在壁面引起负摩擦阻力，从而产生比轮廓翼型更低的总阻力，前缘褶皱翼型的减阻效果最为显著。2） 后缘褶皱翼型在滑翔时的气动性能最佳，当时其升力优势最明显，较平板翼型的时均升力系数提高了23.1%，时均升阻比提高了9.1%。3） 在扑动前飞过程中，后缘褶皱翼型和全褶皱翼型可以降低上扑冲程产生的负升力，周期平均升力更大，爬升性能更好。考虑到真实昆虫翅翼运动规律的复杂性，需要对扑动频率、扑动幅值、相位差等运动参数对褶皱翼气动特性的影响做进一步分析。在实际应用当中，可以在褶皱的峰值点处以碳杆作为翅脉，其余部分以蒙皮或尼龙布覆盖，通过调整碳杆的位置制作出不同褶皱分布形式的机翼。