CN111611652A - 一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法 - Google Patents

一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法，包括以下步骤：S1、建立扑翼运动的翅翼三维模型和流场网格；S2、划分网格并细化贴体网格；S3、根据飞行环境实际情况选择湍流模型，确定边界条件，并根据扑翼升沉‑俯仰的耦合运动和后缘主动柔性变形规律进行UDF编辑和动网格设置；S4、计算升力、阻力系数；S5、改变不同的扑翼频率和柔性变形系数，进行升阻力系数的对比分析。本发明通过仿生模拟真实翅翼的升沉‑俯仰与后缘主动柔性变形结合的复合运动，获得生物薄翼在实际情况下的气动特性。并通对比不同的扑翼频率和柔性变形系数，计算分析出平均升阻系数与频率和柔性变形系数的关系，从而优选出最合适的扑翼频率和柔性变形系数。

Description

一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法
技术领域
本发明属于飞行力学领域，特别涉及一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，航空工业技术已经广泛的应用在民用、军用以及国防等领域。以飞机为代表的飞行器已经成为人类生活和文明发展不可或缺的重要工具。现在和未来的飞行器设计方向是期望飞行器是小巧的、手提的、随身携带，能够像昆虫或者鸟类一样，实现低空飞行，能够灵巧地完成自身的侦察或者搜索任务等。多年以来，以军事用途为主要背景的无人机研究一直十分活跃，这些无人飞机通过地面基地遥控导航，或者通过自身的智能控制算法，来实现其自身的任务规划与航迹生成，完成预定的飞行任务。
目前微型飞行器的飞行方式有三种，分别为固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行方式。其中扑翼飞行是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行器的仿生扑翼飞行方式。该飞行器若研制成功，那么与固定于和旋翼飞行相比，更具有独特的优势：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它能够将举升、悬停和推进功能集于扑翼***，可以用较小的能量完成长距离的飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下完成飞行任务。而自然界的飞行生物无一例外的采用了扑翼飞行方式，因此我们可以根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。由上述可知，在微型飞行器中，仿生扑翼飞行器所具有的独特优点，决定了它在未来的民用，军用，国防领域有着广泛的应用潜在空间。
巨大的应用前景激发着人类对自然界生物及其运动能力的不断探索，以期开发出更先进的飞行器与水下航行器。数值模拟具有可重复性强、测力简单、可以获得更多流场信息等优点，弥补了实验研究与理论分析的不足，逐渐成为当前仿生运动研究的热点。微型飞行器与大型飞机的空气动力学有着很大的不同，常规飞行器的飞行雷诺数的数量级在，其外形气动力设计已经趋于成熟，但是微型飞行器的飞行时速只有几十公里，其飞行雷诺数的数量级仅在1000左右，甚至更低，微型飞行器在如此低的雷诺数下飞行，其空气动力学特征突出表现在：气动粘性力和阻力更加突出；机身负面层易趋于层流特征；易出现机翼附面层与机翼分离的现象，从而失去升力；气动稳定性及其姿态的控制难以实现等。传统的固定翼和旋翼飞行机理以及设计方法对微型飞行器并不适合，所以必须考虑新的条件来研究扑翼情况。
早在20世纪初期人们就注意到了扑翼的气动特性研究。Knoller和Betz解释了飞鸟通过扑动翅膀产生推力的能力，从而第一个认识到扑动的机翼能够在产生升力的同时也产生推力。这一现象现在也被称为Knoller-Betz效应。但是由于扑翼流场强烈的非定常特性，要找出流场准确的解析解非常困难。人们开始寻求扑翼流场的近似解。人们用基于准定常(quasi-steady)假设的简化模型来近似分析扑翼的气动力。在准定常模型里，扑翼的运动被按时间离散成一系列静止的姿态，在每一时刻，假定扑翼该时刻的瞬时气动力等于定常情况下相同姿态的静止机翼产生的气动力，最后把计算得到各时刻气动力按时间积分就认为是扑翼气动力的变化情况。这种把非定常的流场离散成一个个连续的定常流场来计算的方法没有考虑流场的非定常影响，而这恰恰是扑翼流场最重要的部分，绝对不能忽略。Theodoresen等人研究非定常流动理论在固定翼的非定常气动力领域得到了应用。该理论假设机翼表面和尾流区的涡无限薄。这一假设对涡的影响主要集中在附面层内的高雷诺数流动还可以适用，但随着雷诺数的减小，粘性的影响和扩散作用不断增大，对大幅度非定常运动，这一理论不再适用。近年来，随着CFD(Computed Fluid Dynamic)技术的进展，人们开始通过在扑翼表面布涡和偶极子的面元法来计算流经任意形状扑翼的不可压位流流动，这样就可以考虑扑翼厚度和弯度的影响，从而取代了此前的Theodorsen薄翼扑动理论。面元法尽管可以考虑翼型厚度的影响，并且去掉尾流区无限薄的假设，但是涡的奇点分布仍然使涡的影响局限于翼面附近和尾流区和很小区域内。又随着计算机技术的飞速发展而大大增强了计算机的计算能力，使用求解N-S方程的方法分析扑翼流场成为可能，从而可以考虑扑翼流场的粘性影响。同时，研究人员开始尝试用求解完全N-S方程的方法来分析扑翼飞行的流场分别，也取得了一定成绩。
综上所述，对于刚性的实验和数值研究已经取得了一些有价值的成果，但实际昆虫或者鸟类在飞行过程中，翅翼由于空气动力的作用将发生柔性变形.因此，以刚性扑翼为模型求解N-S方程的工作与真实翅翼相比存在较大差距，研究柔性变形下的扑翼气动性能是设计具备仿生飞行器的必由之路。但目前对柔性扑翼的推进效率的数值计算方法还没有***、完备地阐述，而且缺乏对推进性能随参数变化的内在机制的理解。另一方面，扑翼等仿生流动的数值模拟经常涉及复杂移动边界问题，而这类问题的高效、精确求解一直是计算流体力学的难点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过仿生模拟真实翅翼的升沉-俯仰与后缘主动柔性变形结合的复合运动，获得生物薄翼在实际情况下的气动特性；并通对比不同的扑翼频率和柔性变形系数，计算分析出平均升阻系数与频率和柔性变形系数的关系，从而优选出最合适的扑翼频率和柔性变形系数的基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法，包括以下步骤：
S1、建立扑翼运动的翅翼三维模型和流场网格，选取仿生类标准翼型进行翅翼三维模型构建，同时按照流场仿真要求进行流场建模；
S2、划分网格并细化贴体网格，使用四面体网格对翅翼三维模型和整个流场进行网格划分，利用thincut建立翅翼贴体网格，并对翅翼贴体网格进行光顺处理和倾斜度校正；
S3、设置求解参数；根据飞行环境实际情况选择湍流模型，确定边界条件，并根据扑翼升沉-俯仰的耦合运动和后缘主动柔性变形规律进行UDF编辑和动网格设置；
S4、计算升力、阻力系数：计算翅翼与周围空气的流固交互面上的升力和阻力系数；
S5、数据处理，改变不同的扑翼频率和柔性变形系数，进行升阻力系数的对比分析。
进一步地，所述步骤S1中翼型模型的选择为选择美国NACA建立的一个低速翼型系列中的标准翼型NACA0012，材料选择为固体，密度2719kg/m3；流场模型的选择标准是基于翅翼左右流场长度与弦长比值大于20：1的数值仿真要求，构建流场的三维长方体区域大小为10(m)×6(m)×3.5(m)，材料选择为空气，密度1.225kg/m3，粘度为1.7894e-05kg/m-s。
进一步地，所述步骤S3具体实现方法为：湍流模型选择基于涡量的方程模型：Spalart-Allmaras模型，入口边界条件为速度入口边界条件，速度0.1m/s，湍流度0.0001m2/s，出口为压力边界条件，其余均为无滑移边界；
翅翼运动为升沉-俯仰耦合运动与后缘主动柔性变形的结合，即在翅翼耦合运动的基础上赋予其后缘主动柔性变形，表征设定的弦向变形只发生在后半部分，翅翼Y方向完成整体的升沉-俯仰耦合运动，其后2/3部分在耦合运动的基础上模拟柔性变形，构成整体的仿生复合运动；其中升沉运动表示为：
h(t)＝h0sin(ωt)
式中：h0为升沉幅度，ω为扑翼的圆频率，与扑翼频率f的关系为ω＝2πf，t为时间；
复合运动其中的俯仰运动表示为：
θ(t)＝θ0sin(ωt-ψ)
式中：θ0为俯仰幅度，ψ为升沉和俯仰运动之间的相位差；
建立xyz随体坐标系随扑翼运动和XYZ固定坐标系，则复合运动中的后缘主动柔性变形运动表示为：
l(t)＝(x-0.04)/ε*c*sin(ωt)
式中：l(t)代表后缘Y方向上与前缘位移差，ε为翅翼变形系数，c为翅翼弦长；
结合扑翼的耦合运动规律编写UDF函数，其后缘运动表示为：
l(t)＝(-115*pow(x,4)+35.2*pow(x,3)-4.682*pow(x,2)+0.1984*x+0.0034)+(x-0.04)/c*ε*sin(ωt)
y＝l(t)+h0sin(ωt)
其前缘运动表示为：
l(t)＝0.05633*pow(x,0.5)-60.76*pow(x,4)+17.07*pow(x,3)-2.111*pow(x,2)-0.07558*x
y＝l(t)+h0*sin(ωt)
式中：pow(a,b)代表a的b次幂；
在动网格区域模块设置中为各翅翼部分选择对应的UDF模型，分别为翅翼上表面前后两段和翅翼下表面前后两段加载对应的网格运动UDF函数，其余模型部分设置为“Deforming”类型；并对动网格进行扩散类型的光滑处理，扩散因子设置为0.2。
进一步地，所述步骤S4中升阻力系数计算方法为：
CL＝FY/(0.5ρU2Ap)
CD＝FX/(0.5ρU2Ap)
式中：FX，FY分别为阻力和升力，ρ为空气密度，U为来流速度，Ap为翼特征横截面积。
进一步地，所述步骤S5中进行数据统计时所述的平均升、阻力系数表示为：
Figure BDA0002523772620000041
Figure BDA0002523772620000042
式中：T为扑翼的运动周期。
本发明的有益效果是：本发明针对目前扑翼数值模拟方法中存在的不足，提出一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法。该方法通过仿生模拟真实翅翼的升沉-俯仰与后缘主动柔性变形结合的复合运动，获得生物薄翼在实际情况下的气动特性。并通对比不同的扑翼频率和柔性变形系数，计算分析出平均升阻系数与频率和柔性变形系数的关系，从而优选出最合适的扑翼频率和柔性变形系数；为对自然界昆虫和鸟类低雷诺数情况下的飞行特性的了解，对目前微型仿生扑翼飞行器的设计提供了重要的理论基础。
附图说明
图1为本发明的基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法的流程图；
图2是翅翼与流场接触部分网格划分优化示意图；
图3是升沉-俯仰与主动柔性变形的复合运动示意图；
图4是扑翼圆频率为100时的，升力系数随时间的变化示意图。
具体实施方式
本发明的方案为：首先，建立扑翼运动的翅翼三维模型和流场网格，确定升沉-俯仰运动规律和翼后缘柔性主动变形的运动规律，然后结合利用主流的流体力学计算的商用CFD软件FLUENT，并使用FLUENT中捆绑的用户自定义函数UDF技术和动网格技术进行求解器设置，最后在后处理上进行残差、升力系数、阻力系数的监控器设置，控制变量改变多组参数来分析扑翼在不同扑翼频率、不同柔性变形系数下的平均升、阻力系数。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法，包括以下步骤：
S1、建立扑翼运动的翅翼三维模型和流场网格，选取仿生类标准翼型进行翅翼三维模型构建，同时按照流场仿真要求进行流场建模；
翼型模型的选择为选择美国NACA建立的一个低速翼型系列中的标准翼型NACA0012，材料选择为固体，密度2719kg/m3；流场模型的选择标准是基于翅翼左右流场长度与弦长比值大于20：1的数值仿真要求，构建流场的三维长方体区域大小为10(m)×6(m)×3.5(m)，材料选择为空气，密度1.225kg/m3，粘度为1.7894e-05kg/m-s。
S2、划分网格并细化贴体网格，如图2所示，使用四面体网格对翅翼三维模型和整个流场进行网格划分；利用thincut建立翅翼贴体网格，并对翅翼贴体网格进行光顺处理和倾斜度校正；流场划分采用的四面体网格单元总数超过20万。
S3、设置求解参数；根据飞行环境实际情况选择湍流模型，确定边界条件，并根据扑翼升沉-俯仰的耦合运动和后缘主动柔性变形规律进行UDF编辑和动网格设置；
求解选择为瞬态，基于压力方法，湍流模型选择基于涡量的方程模型：Spalart-Allmaras模型，Spalart-Allmaras模型是设计用于航空领域的，主要是墙壁束缚流动，而且已经显示出很好的效果。入口边界条件为速度入口边界条件，速度0.1m/s，湍流度0.0001m2/s，出口为压力边界条件，其余均为无滑移边界；
翅翼运动为升沉-俯仰耦合运动与后缘主动柔性变形的结合，即在翅翼耦合运动的基础上赋予其后缘主动柔性变形，表征设定的弦向变形只发生在后半部分，翅翼Y方向完成整体的升沉-俯仰耦合运动，其后2/3部分在耦合运动的基础上模拟柔性变形，构成整体的仿生复合运动；其中升沉运动表示为：
h(t)＝h0sin(ωt)
式中：h0为升沉幅度，ω为扑翼的圆频率，与扑翼频率f的关系为ω＝2πf，t为时间；优选地，升沉幅度设置为0.02，圆频率设置为50-150。
复合运动其中的俯仰运动表示为：
θ(t)＝θ0sin(ωt-ψ)
式中：θ0为俯仰幅度，ψ为升沉和俯仰运动之间的相位差；优选地，俯仰幅度设置为π/12，相位差设定为0。
建立xyz随体坐标系随扑翼运动和XYZ固定坐标系，则复合运动中的后缘主动柔性变形运动表示为：
l(t)＝(x-0.04)/ε*c*sin(ωt)
式中：l(t)代表后缘Y方向上与前缘位移差，ε为翅翼变形系数，c为翅翼弦长；优选地，变形系数设定为0.01-0.09，弦长为0.1。
结合扑翼的耦合运动规律编写UDF函数，其后缘运动表示为：
l(t)＝(-115*pow(x,4)+35.2*pow(x,3)-4.682*pow(x,2)+0.1984*x+0.0034)+(x-0.04)/c*ε*sin(ωt)
y＝l(t)+h0sin(ωt)
其前缘运动表示为：
l(t)＝0.05633*pow(x,0.5)-60.76*pow(x,4)+17.07*pow(x,3)-2.111*pow(x,2)-0.07558*x
y＝l(t)+h0*sin(ωt)
式中：pow(a,b)代表a的b次幂；
在动网格区域模块设置中为各翅翼部分选择对应的UDF模型，分别为翅翼上表面前后两段和翅翼下表面前后两段加载对应的网格运动UDF函数，其余模型部分设置为“Deforming”类型；并对动网格进行扩散类型的光滑处理，扩散因子设置为0.2。至此，将完成编译的UDF函数导入FLUENT中，结合动网格设置完成翅翼运动配置，其运动示意图如图3所示。
S4、计算升力、阻力系数：计算翅翼与周围空气的流固交互面上的升力和阻力系数；
设置升力和阻力系数监控器使得图形窗口可以实时动态的显示升力和阻力系数随迭代过程的变化。并设置计算时间步长和步数进行求解。升阻力系数计算方法为：
CL＝FY/(0.5ρU2Ap)
CD＝FX/(0.5ρU2Ap)
式中：FX，FY分别为阻力和升力，ρ为空气密度，U为来流速度，Ap为翼特征横截面积。优选地，时间步长设置为5e-4，时间步数设置为1000步，每个时间步最大迭代数为20次，来流速度为0.1m/s，Ap为0.04。得到形如图4的升力系数曲线图，图4表征扑翼圆频率为100时的，升力系数随时间变化的示意图。
S5、数据处理，改变不同的扑翼频率和柔性变形系数，进行升阻力系数的对比分析；
进行数据统计时所述的平均升、阻力系数表示为：
Figure BDA0002523772620000071
Figure BDA0002523772620000072
式中：T为扑翼的运动周期。
本发明提供了不同频率和柔性变形系数与平均升力系数和阻力系数的关系，控制变量为扑翼圆频率、柔性变形系数，一组计算为变形系数控制在0.03，圆频率分别取50、75、100、125、150五个水平；另一组计算为圆频率取100，变形系数分别取0.01、0.03、0.05、0.07、0.09五组，如下表1、表2所示：
表1不同频率下的平均升力系数和阻力系数
ω C<sub>LA</sub> C<sub>DA</sub>
50 0.34 0.21
75 0.43 0.28
100 0.55 0.38
125 0.61 0.42
150 0.69 0.47
表2不同柔性变形系数与平均升力系数和阻力系数
Figure BDA0002523772620000073
Figure BDA0002523772620000081
本发明通过数值计算找到平均升力系数和阻力系数随着扑翼圆频率的升高而升高；柔性变形系数对于升力系数的影响为先上升后下降，在ε＝0.05附近取到最优值，而阻力系数则随着变形系数的增加而持续减小，说明当柔性过高时既会减弱推力产生也会减弱升力的产生，因此需要找对微型扑翼飞行器对应的最优柔性变形系数来提升飞行效率。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立扑翼运动的翅翼三维模型和流场网格，选取仿生类标准翼型进行翅翼三维模型构建，同时按照流场仿真要求进行流场建模；
S2、划分网格并细化贴体网格，使用四面体网格对翅翼三维模型和整个流场进行网格划分，利用thincut建立翅翼贴体网格，并对翅翼贴体网格进行光顺处理和倾斜度校正；
S3、设置求解参数；根据飞行环境实际情况选择湍流模型，确定边界条件，并根据扑翼升沉-俯仰的耦合运动和后缘主动柔性变形规律进行UDF编辑和动网格设置；
S4、计算升力、阻力系数：计算翅翼与周围空气的流固交互面上的升力和阻力系数；
S5、数据处理，改变不同的扑翼频率和柔性变形系数，进行升阻力系数的对比分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法，其特征在于，所述步骤S1中翼型模型的选择为选择美国NACA建立的一个低速翼型系列中的标准翼型NACA0012，材料选择为固体，密度2719kg/m3；流场模型的选择标准是基于翅翼左右流场长度与弦长比值大于20：1的数值仿真要求，构建流场的三维长方体区域大小为10(m)×6(m)×3.5(m)，材料选择为空气，密度1.225kg/m3，粘度为1.7894e-05kg/m-s。
3.根据权利要求2所述的一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方法为：湍流模型选择基于涡量的方程模型：Spalart-Allmaras模型，入口边界条件为速度入口边界条件，速度0.1m/s，湍流度0.0001m2/s，出口为压力边界条件，其余均为无滑移边界；
翅翼运动为升沉-俯仰耦合运动与后缘主动柔性变形的结合，即在翅翼耦合运动的基础上赋予其后缘主动柔性变形，表征设定的弦向变形只发生在后半部分，翅翼Y方向完成整体的升沉-俯仰耦合运动，其后2/3部分在耦合运动的基础上模拟柔性变形，构成整体的仿生复合运动；其中升沉运动表示为：
h(t)＝h0sin(ωt)
式中：h0为升沉幅度，ω为扑翼的圆频率，与扑翼频率f的关系为ω＝2πf，t为时间；
复合运动其中的俯仰运动表示为：
θ(t)＝θ0sin(ωt-ψ)
式中：θ0为俯仰幅度，ψ为升沉和俯仰运动之间的相位差；
建立xyz随体坐标系随扑翼运动和XYZ固定坐标系，则复合运动中的后缘主动柔性变形运动表示为：
l(t)＝(x-0.04)/ε*c*sin(ωt)
式中：l(t)代表后缘Y方向上与前缘位移差，ε为翅翼变形系数，c为翅翼弦长；
结合扑翼的耦合运动规律编写UDF函数，其后缘运动表示为：
l(t)＝(-115*pow(x,4)+35.2*pow(x,3)-4.682*pow(x,2)+0.1984*x+0.0034)+(x-0.04)/c*ε*sin(ωt)
y＝l(t)+h0sin(ωt)
其前缘运动表示为：
l(t)＝0.05633*pow(x,0.5)-60.76*pow(x,4)+17.07*pow(x,3)-2.111*pow(x,2)-0.07558*x
y＝l(t)+h0*sin(ωt)
式中：pow(a,b)代表a的b次幂；
在动网格区域模块设置中为各翅翼部分选择对应的UDF模型，分别为翅翼上表面前后两段和翅翼下表面前后两段加载对应的网格运动UDF函数，其余模型部分设置为“Deforming”类型；并对动网格进行扩散类型的光滑处理，扩散因子设置为0.2。
4.根据权利要求1所述的所述的一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法，其特征在于，所述步骤S4中升阻力系数计算方法为：
CL＝FY/(0.5ρU2Ap)
CD＝FX/(0.5ρU2Ap)
式中：FX，FY分别为阻力和升力，ρ为空气密度，U为来流速度，Ap为翼特征横截面积。
5.根据权利要求1所述的基于一种基于主动柔性变形的扑翼气动特性分析方法，其特征在于，所述步骤S5中进行数据统计时所述的平均升、阻力系数表示为：
Figure FDA0002523772610000021
Figure FDA0002523772610000022
式中：T为扑翼的运动周期。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112224439A (zh) * 2020-10-20 2021-01-15 冯旭辉 扑翼空气动力特性高精度仿真方法
CN112520063A (zh) * 2020-12-05 2021-03-19 北京航空航天大学 一种适用于旋翼桨的气动设计方法
CN112947502A (zh) * 2021-03-04 2021-06-11 中国科学院自动化研究所 柔性仿生蹼水下运动控制方法及***
CN113255065A (zh) * 2021-06-23 2021-08-13 南京航空航天大学 仿蒲公英的飞行器、飞行器的设计方法及分析方法
CN113591354A (zh) * 2021-08-03 2021-11-02 西北工业大学 一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法、计算机设备及存储介质
CN115057001A (zh) * 2022-08-17 2022-09-16 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 一种基于网格的翼面后缘舵面快速生成与舵效评估方法
CN115610464A (zh) * 2022-12-07 2023-01-17 成都流体动力创新中心 一种高速列车升力翼连接杆导流罩及其设计方法
CN115649417A (zh) * 2022-12-14 2023-01-31 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 一种高亚声速自配平高隐身翼型

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5401196A (en) * 1993-11-18 1995-03-28 Massachusetts Institute Of Technology Propulsion mechanism employing flapping foils
US20110121129A1 (en) * 2007-12-13 2011-05-26 Nikolaus Pietrek Muscle-powered aircraft with flapping wings
CN108945428A (zh) * 2018-06-08 2018-12-07 南京航空航天大学 基于非均匀柔度分布尾梢的扑翼升力/推力提升方法
CN109885908A (zh) * 2019-01-30 2019-06-14 北京理工大学 一种新型羽翅仿生通风扑翼***及多涡干扰机理分析方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5401196A (en) * 1993-11-18 1995-03-28 Massachusetts Institute Of Technology Propulsion mechanism employing flapping foils
US20110121129A1 (en) * 2007-12-13 2011-05-26 Nikolaus Pietrek Muscle-powered aircraft with flapping wings
CN108945428A (zh) * 2018-06-08 2018-12-07 南京航空航天大学 基于非均匀柔度分布尾梢的扑翼升力/推力提升方法
CN109885908A (zh) * 2019-01-30 2019-06-14 北京理工大学 一种新型羽翅仿生通风扑翼***及多涡干扰机理分析方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
武斌: "主动折叠变形扑翼飞行器的设计与分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112224439A (zh) * 2020-10-20 2021-01-15 冯旭辉 扑翼空气动力特性高精度仿真方法
CN112520063A (zh) * 2020-12-05 2021-03-19 北京航空航天大学 一种适用于旋翼桨的气动设计方法
CN112947502A (zh) * 2021-03-04 2021-06-11 中国科学院自动化研究所 柔性仿生蹼水下运动控制方法及***
CN113255065A (zh) * 2021-06-23 2021-08-13 南京航空航天大学 仿蒲公英的飞行器、飞行器的设计方法及分析方法
CN113255065B (zh) * 2021-06-23 2021-10-15 南京航空航天大学 仿蒲公英的飞行器、飞行器的设计方法及分析方法
CN113591354A (zh) * 2021-08-03 2021-11-02 西北工业大学 一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法、计算机设备及存储介质
CN113591354B (zh) * 2021-08-03 2022-10-04 西北工业大学 一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法、计算机设备及存储介质
CN115057001A (zh) * 2022-08-17 2022-09-16 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 一种基于网格的翼面后缘舵面快速生成与舵效评估方法
CN115610464A (zh) * 2022-12-07 2023-01-17 成都流体动力创新中心 一种高速列车升力翼连接杆导流罩及其设计方法
CN115649417A (zh) * 2022-12-14 2023-01-31 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 一种高亚声速自配平高隐身翼型

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