高度可變形的拍翅膜翼在懸停時抑制前緣渦旋以獲得更好的性能

核心概念

高度可變形的膜翼在懸停時能夠抑制前緣渦旋的形成,從而獲得更高的升力和更好的能量效率。

要約

本研究探討了膜翼在懸停時的流場演化及其對氣動性能的影響。實驗結果表明,隨著膜翼柔性的增加,前緣渦旋的形成會被抑制。在最佳的氣彈性條件下,前緣渦旋完全消失,取而代之的是從前緣到後緣的連續邊界層。儘管沒有前緣渦旋,這種最佳的柔性膜翼仍能獲得更高的升力和更好的能量效率。通過分析膜翼的變形,我們發現膜翼的最大凸度和前後緣角度隨氣彈性數的變化遵循幂律關係,並可用於預測膜翼的變形和氣動性能。前後緣角度的變化也反映了流場拓撲的轉變,可用作觀察指標來確定最佳的操作條件。這些發現有助於解釋蝙蝠等自然飛行者的飛行機理,並為設計和控制具有柔性膜翼的人工飛行器提供新的思路。

統計

膜翼的最大凸度ˆzmax/c隨氣彈性數Ae的減小而增大,可用幂律關係描述。
前緣角度ˆγLE和後緣角度ˆγTE也隨Ae的減小而增大,同樣遵循幂律關係。
最大升力係數ˆCL = 2.43達到於Ae = 1.70和ˆα = 55°。
最高能量效率ˆη = 0.86達到於Ae = 2.44和ˆα = 33°。

引用

"當我們引入膜翼柔性,降低氣彈性數時,翼型會變形成正凸的薄翼型,前緣角度相對於來流的角度也會降低。"
"在最佳的氣彈性條件下,前緣角度與來流方向基本對齊,因此沒有明顯的前緣渦旋形成。取而代之的是從前緣到後緣的連續邊界層。"
"過度柔軟的膜翼會導致翼型凸度過大,流場在後緣處分離,形成不利於升力和效率的渦旋。"

抽出されたキーインサイト

Highly deformable flapping membrane wings suppress the leading edge vortex in hover to perform better

by Alexander Ge... 場所 arxiv.org 10-03-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.01670.pdf

深掘り質問

如何利用膜翼的變形特性來設計和控制具有柔性膜翼的人工飛行器?

膜翼的變形特性可以通過調整翼的材料特性、幾何形狀和操作條件來設計和控制人工飛行器。首先，選擇具有適當彈性模量和厚度的材料，以確保膜翼在流體動力負載下能夠有效變形。這種變形能夠在前後拍打過程中保持正的弧度，從而增強升力。其次，通過調整翼的角度和拍打頻率，可以控制膜翼的變形程度，進而影響升力和能量效率。具體而言，設計者可以利用氣動彈性數（Ae）來優化膜翼的性能，確保在不同的飛行條件下，膜翼能夠自動調整其形狀以適應流場變化。此外，實時監測膜翼的變形和流場狀態，並根據流動狀態調整翼的拍打運動，可以進一步提高飛行器的操控性和穩定性。

除了升力和能量效率,膜翼的柔性變形對飛行器的其他性能,如穩定性和操縱性,會產生什麼影響?

膜翼的柔性變形對飛行器的穩定性和操縱性有顯著影響。首先，柔性膜翼能夠在不同的飛行條件下自動調整其形狀，這種自適應能力有助於提高飛行器在氣流擾動下的穩定性。當遇到氣流擾動時，膜翼的變形可以減少不穩定性，從而保持飛行器的姿態穩定。其次，膜翼的變形特性使得飛行器在操控時能夠更靈活地改變升力和阻力，這對於實現精確的飛行控制至關重要。通過調整膜翼的變形，飛行器可以在不同的飛行模式之間快速切換，例如從懸停到快速前進，這樣的靈活性使得飛行器在複雜環境中能夠更好地適應和反應。

在自然界中,除了蝙蝠之外,其他具有柔性膜翼的生物是否也能利用類似的機理來提高飛行性能?

在自然界中，除了蝙蝠，許多其他具有柔性膜翼的生物也利用類似的機理來提高飛行性能。例如，某些種類的鳥類和昆蟲，如燕子和蜜蜂，擁有柔性和可變形的翼結構，這使得它們能夠在飛行過程中調整翼的形狀和角度。這些生物在飛行時，通過翼的變形來控制升力和阻力，從而提高飛行效率和靈活性。研究表明，這些生物在高角度攻擊下能夠有效地抑制領邊渦的形成，並利用翼的變形來增強升力，這與膜翼的變形特性相似。因此，這些生物的飛行機制提供了對於設計和控制人工飛行器的重要啟示，特別是在提升飛行性能和能量效率方面。