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黄秋香;Shantanu S.巴特。;Yeo，Eng Chow先生;年轻，约翰;Joseph C.S.赖。;田方宝;斯里达尔·拉维

动力同步决定了被动俯仰扑翼的悬停飞行效率。 （英语） Zbl 1533.76127号

J.流体力学。 974，论文编号A41，36 p.（2023）.
摘要：昆虫和人工飞行器的流体和结构之间的能量交换对扑翼的产力和飞行效率起着重要的作用。本工作使用高保真流体-结构相互作用求解器对扑翼的性能进行了数值研究。通过改变铰链柔度（通过Cauchy数（Ch）测量，即气动力和扭转弹性力之间的比率）和机翼形状（通过面积一阶矩半径量化）进行模拟{r} _1个\)). 结果表明，提升产量在0.05<Chleq 0.2和更大{r} _1个\)最小迎角在中游时约为45°。具有较低\（\bar）的机翼的功率经济性最大化{r} _1个\)接近\（Ch=0.2\）。功率分析表明，在发生两个重要功率同步的情况下，通过功率经济性测量的最佳性能是获得的：俯仰弹性功率和俯仰气动和惯性功率的反同步，以及扑翼气动功率和总功率的近同相同步系统的输入功率。而对不同机翼形状和铰链刚度的运动学分析表明，当俯仰和冲程反转的时间匹配时，最佳性能就会出现，从而支持输入功率从扑动到被动俯仰以及进入流体的有效传输。这些结果表明，仔细优化机翼形状和铰链特性可以让昆虫和机器人利用被动动力学来提高飞行性能。

MSC公司：

76Z10号 水和空气中的生物推进
第76天05 不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程
76米28 粒子法和晶格气体法
74层10 流固相互作用（包括气动和水弹性、孔隙度等）

关键词：

不可压缩Navier-Stokes方程;浸没边界格子Boltzmann方法;气动/扭转弹性力比;最大功率经济性

软件：

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\textit{Q.Huang}等人，《流体力学杂志》。974，论文编号A41，36页（2023；Zbl 1533.76127）
全文： 内政部

参考文献：

[1] Altshuler，D.L.、Dickson，W.B.、Vance，J.T.、Roberts，S.P.和Dickinson，M.H.2005短振幅高频机翼冲程决定了蜜蜂飞行的空气动力学。程序。美国国家科学院。科学。美国102年，18213-18218年。
[2] Ansari，S.A.、Knowles，K.和Zbikowski，R.2008在悬停中像昆虫一样扇动翅膀。第1部分。机翼运动学的影响。J.Aircraft 1945-1954年。
[3] Ansari，S.A.、Knowles，K.和Zbikowski，R.2008b悬停中昆虫般的翅膀扑动。第二部分。机翼几何形状的影响。J.飞行器451976-1990。
[4] Beal，D.N.2003使用拍击箔通过尾流同步推进。麻省理工学院博士论文。
[5] Beatus，T.&Cohen，I.2015机动果蝇中的翼距调制是由空气动力学和扭转弹簧之间的相互作用解释的。修订版E92022712。
[6] Bergou，A.J.，Xu，S.&Wang，Z.J.2007昆虫飞行中的被动机翼俯仰反转。《流体力学杂志》591，321-337·Zbl 1125.76415号
[7] Berman，G.J.和Wang，Z.J.2007昆虫悬停飞行中的能量最小化运动学。《流体力学杂志》582153-168·Zbl 1115.76086号
[8] Bhat，S.S.&Thompson，M.C.2022前缘曲率对昆虫翅膀空气动力学的影响。国际热流杂志93，108898。
[9] Bhat，S.S.、Zhao，J.、Sheridan，J.，Hourigan，K.和Thompson，M.C.2019a昆虫翅膀的纵横比研究。物理学。流感31121301。
[10] Bhat，S.S.，Zhao，J.，Sheridan，J.、Hourigan，K.和Thompson，M.C.2019b进化形状优化提高了旋转机翼几何形状的升力系数。《流体力学杂志》868，369-384·Zbl 1415.76418号
[11] Birch，J.M.和Dickinson，M.H.2003扑翼飞行中机翼与机翼相互作用对产生空气动力的影响。《实验生物学杂志》2062257-2272。
[12] Bluman，J.E.、Sridhar，M.K.和Kang，C.-K.2018弦翼柔韧性可以被动稳定悬停昆虫。J.R.Soc.接口1520180409。
[13] Bomphrey，R.J.、Nakata，T.、Phillips，N.和Walker，S.M.2017智能机翼旋转和尾缘旋涡使蚊子能够高频飞行。《自然》54492-95。
[14] Cai，X.，Xue，Y.，Kolomenskiy，D.，Xu，R.&Liu，H.2022弹性存储使扑翼动力学具有鲁棒性。生物激励。仿生学17（4），045003。
[15] Chen，Y.，Gravish，N.，Desbiens，A.L.，Malka，R.&Wood，R.J.2016扑翼和被动旋转昆虫翅膀空气动力学性能的实验和计算研究。《流体力学杂志》791，1-33。
[16] Combes，S.A.和Daniel，T.L.2001形状、扑动和弯曲：向前飞行的机翼和鳍设计。《实验生物学杂志》204，2073-2085。
[17] Dai，H.，Luo，H.&Doyle，J.F.2012悬停运动中弹性矩形机翼的动态俯仰。《流体力学杂志》693、473-499·Zbl 1250.76205号
[18] De，A.K.&Sarkar，S.2021尾流结构对薄片后俯仰频率的依赖性（Re=1000\）。《流体力学杂志》924，A33·Zbl 1480.76040号
[19] Deng，H.B.，Xu，Y.Q.，Chen，D.D.，Dai，H.，Wu，J.&Tian，F.B.2013关于动物游泳和飞行的数值建模。计算。机械521221-1242。
[20] D’Humieres，D.，Ginzburg，I.，Krafczyk，M.，Lallemand，P.&Luo，L.-S.2002三维多重弛豫时间晶格Boltzmann模型。菲尔翻译。R.Soc.A360，437-451·Zbl 1001.76081号
[21] Dickinson，M.H.1994低雷诺数下机翼旋转对非定常气动性能的影响。《实验生物学杂志》192179-206。
[22] Dickinson，M.H.，Lehmann，F.-O.&Sane，S.P.1999翅膀旋转和昆虫飞行的空气动力学基础。科学2841954-1960。
[23] Dilek，E.，Erzincanli，B.&Sahin，M.2019悬停果蝇近尾迹结构的拉格朗日和欧拉相干结构的数值研究。西奥。计算。流体动力学33，255-279。
[24] Eldredge，J.D.&Jones，A.R.2019前沿旋涡：力学和建模。每年。《流体力学》第51版，第75-104页·Zbl 1412.76020号
[25] Eldredge，J.D.，Toomey，J.&Medina，A.2010关于具有悬停运动学的扑翼中弦向柔韧性的作用。《流体力学杂志》659、94-115·Zbl 1205.76316号
[26] 艾灵顿，C.P.1984悬停昆虫飞行的空气动力学。二、。形态参数。菲尔翻译。R.Soc.伦敦。B305，17-40。
[27] Ellington，C.P.1984b悬停昆虫飞行的空气动力学。六、 提升和功率要求。菲尔翻译。R.Soc.伦敦。B305、145-181。
[28] Ellington，C.P.和Lighthill，M.J.1984昆虫悬停飞行的空气动力学。五、漩涡理论。菲尔翻译。R.Soc.伦敦。B305115-144。
[29] Engels，T.、Kolomenskiy，D.、Schneider，K.和Sesterhenn，J.2016Flusi：一种新的并行模拟工具，用于使用傅里叶方法和体积惩罚的扑翼昆虫飞行。SIAM J.科学。计算38，S3-S24·Zbl 1348.76106号
[30] Engels，T.、Schneider，K.、Reiss，J.和Farge，M.2021A用于飞行昆虫湍流多尺度模拟的小波自适应方法。Commun公司。计算。物理30，1118-1149·Zbl 1473.65101号
[31] Ennos，A.R.1988双翅目昆虫翅膀旋转的惯性原因。《实验生物学杂志》140，161-169。
[32] Farrell Helbling，E.&Wood，R.J.2018A昆虫级扑翼飞行器的推进、动力和控制结构综述。申请。机械。版次70010801。
[33] Fry，S.N.、Sayaman，R.和Dickinson，M.H.2005果蝇悬停飞行的空气动力学。《实验生物学杂志》2082303-2318。
[34] Gehrke，A.、Richeux，J.、Uksul，E.和Mulleners，K.2022生物吸气扑翼膜机翼的气动弹性特征。生物激励。仿生学17，065004。
[35] Goldstein，D.、Handler，R.和Sirovich，L.1993用外力场模拟无滑移流动边界。J.计算。物理105，354-366·Zbl 0768.76049号
[36] Guo，Z.-L.，Zheng，C.-G.&Shi，B.-C.2002格子Boltzmann方法中速度和压力边界条件的非平衡外推方法。下巴。物理11，366-374。
[37] Hu，Z.和Deng，X.Y.2014悬停蜻蜓前后翼之间的空气动力学相互作用。机械学报Sin.30，787-799。
[38] 黄，Q.2021低雷诺数湍流FSI及其在生物流动中的应用。新南威尔士大学博士论文。
[39] Huang，Q.，Liu，Z.，Wang，L.，Ravi，S.，Young，J.，Lai，J.C.S.&Tian，F.-B.2022流线型穿透、速度误差和反馈浸没边界法的后果。物理学。液体34097101。
[40] Huang，Q.，Mazharmanesh，S.，Tian，F.-B.，Young，J.，Lai，J.C.S.&Ravi，S.2021a模拟悬停飞行中被动俯仰串联机翼的CFD解算器验证。第24届国际建模与仿真大会（编辑：R.W.Vervoort，A.A.Voinov，J.P.Evans&L.Marshall），第71-77页。澳大利亚和新西兰建模与仿真协会。
[41] Huang，Q.，Tian，F.-B.，Young，J.&Lai，J.C.S.2021在双边可折叠河道水流中向混沌过渡。J.流体力学926，A15·Zbl 1496.76063号
[42] Huang，W.-X.&Tian，F.-B.2019浸没边界法的最新趋势和进展。程序。仪器机械。工程师C233，7617-7636。
[43] Ishihara，D.&Horie，T.2016昆虫拍打翅膀时的俯仰反冲被动机制。生物激励。生物信息2008年12月16日。
[44] Ishihara，D.，Horie，T.&Niho，T.2014悬停苍蝇中扑翼被动俯仰运动的气动贡献的实验和三维计算研究。生物激励。仿生学9，046009。
[45] Ishihara，D.、Yamashita，Y.、Horie，T.、Yoshida，S.和Niho，T.2009在起重机飞翼扑翼平移期间被动维持大迎角及其升力生成。《实验生物学杂志》212，3882-3891。
[46] Ji，X.，Wang，L.，Ravi，S.，Tian，F.-B.，Young，J.&Lai，J.C.S.2022锯齿后缘对悬停飞行中扑翼的气动和气动声学性能的影响。物理学。流体34011902。
[47] Kang，C.-K.&Shyy，W.2013昆虫大小悬停柔性机翼的缩放规律和升力生成增强。J.R.Soc.接口1020130361。
[48] Keennon，M.，Klingebiel，K.&Won，H.2012纳米蜂鸟的开发：无尾扑翼微型飞行器。在第50届AIAA航空航天科学会议上，包括新视野论坛和航空航天博览会，第588页。美国航空航天学会。
[49] Kolomenskiy，D.等人，2019大黄蜂悬停飞行中被动羽化旋转的动力学。《流体结构杂志》91，102628。
[50] Lallemand，P.和Luo，L.-S.2000晶格玻尔兹曼方法理论：色散、耗散、各向同性、伽利略不变性和稳定性。物理学。版本E61，6546-6562。
[51] Landau，L.D.和Lifshitz，E.M.2013流体力学：Landau和Lifshitz：理论物理课程，第6卷。爱思唯尔。
[52] Lei，M.&Li，C.2020悬停飞行中被动机翼俯仰的空气动力学性能。物理学。流体32051902。
[53] Lentink，D.、Jongerius，S.R.和Bradshaw，N.L.2009受昆虫飞行启发，设计了扑翼微型飞行器。《飞行昆虫和机器人》（编辑：D.Floreano、J.C.Zufferey、M.V.Srinivasan和C.Ellington），第185-205页。斯普林格。
[54] Li，C.&Dong，H.2016低展弦比俯仰-滚动板的三维尾迹拓扑和推进性能。物理学。流体28，071901。
[55] Li，C.，Dong，H.&Zhao，K.2018A果蝇飞行期间空气动力学和嗅觉性能之间的平衡。美国国家通讯社9，1-8。
[56] Liu，D.，Hefler，C.，Shyy，W.和Qiu，H.2022蜻蜓肌肉控制对扑翼运动学和空气动力学的影响。物理学。流体34081902。
[57] Liu，Z.，Tian，F.-B.&Feng，X.2022b一种有效的几何自适应网格细化框架及其在浸没边界晶格Boltzmann方法中的应用。计算。方法。申请。机械。工程392114662·Zbl 1507.76166号
[58] Luo，G.&Sun，M.2005波纹和机翼平面形状对扫掠模型昆虫翅膀产生空气动力的影响。机械学报21，531-541·Zbl 1200.76232号
[59] Luo，L.-S.，Liao，W.，Chen，X.，Peng，Y.&Zhang，W.2011晶格玻尔兹曼方法的数值：碰撞模型对晶格玻尔兹曼模拟的影响。物理学。版本E83，1-24。
[60] Ma，J.，Wang，Z.，Young，J.，Lai，J.C.S.，Sui，Y.&Tian，F.-B.2020一种用于涉及粘弹性流体和复杂几何形状的流体-结构相互作用问题的浸入边界晶格Boltzmann方法。J.计算。物理415、109487·兹比尔1440.76117
[61] Ma，K.Y.，Chiraratananon，P.，Fuller，S.B.&Wood，R.J.2013受生物启发的昆虫级机器人的控制飞行。科学340603-607。
[62] Maeda，M.和Liu，H.2013果蝇悬停时的地面效应：三维计算研究。J.生物技术。科学。工程8，344-355。
[63] Mathai，V.、Tzezana，G.A.、Das，A.和Breuer，K.S.2022集能膜水翼的流体-结构相互作用。《流体力学杂志》942，R4·Zbl 1510.76046号
[64] Mazharmanesh，S.、Stallard，J.、Medina，A.、Fisher，A.和Ando，N.、Tian，F.-B.、Young，J.和Ravi，S.2021在垂直流入情况下被动俯仰扑翼的表现。生物激励。仿生学16，056003。
[65] Medina，A.2013低雷诺数下变形机翼的空气动力学。加州大学洛杉矶分校博士论文。
[66] Meng，X.，Liu，Y.和Sun，M.2017果蝇上升飞行的空气动力学。《仿生工程杂志》14，75-87。
[67] Peng，D.-W.&Milano，M.2013Lift一代具有最佳弹性俯仰的扑翼板。《流体力学杂志》717，R1·Zbl 1284.76434号
[68] Peskin，C.S.2002浸没边界法。《数字学报》11，479-517·Zbl 1123.74309号
[69] Sane，S.P.&Dickinson，M.H.2001扑翼飞行力控制：升力和阻力生产。《实验生物学杂志》204，2607-2626。
[70] Sane，S.P.和Dickinson，M.H.2002机翼旋转的空气动力学效应和修正的扑翼飞行准静态模型。《实验生物学杂志》205，1087-1096。
[71] Shahzad，A.，Tian，F.-B.，Young，J.&Lai，J.C.S.2016机翼形状、展弦比和偏离角对悬停状态下扑翼气动性能的影响。物理学。流体28111901。
[72] Shahzad，A.，Tian，F.-B.，Young，J.&Lai，J.C.S.2018a柔韧性对不同形状和长宽比扑翼悬停性能的影响。《流体结构杂志》81、69-96。
[73] Shahzad，A.，Tian，F.B.，Young，J.&Lai，J.C.S.2018b飞蛾式柔韧性对不同形状和展弦比扑翼的空气动力学性能的影响。物理学。流体30091902。
[74] Shyy，W.、Aono，H.、Chimakurthi，S.K.、Trizila，P.、Kang，C.-K.、Cesnik，C.E.S.和Liu，H.2010扑翼空气动力学和气动弹性的最新进展。掠夺。Aerosp.航空公司。科学46，284-327。
[75] Shyy，W.、Kang，C.-K.、Chirarattananon，P.、Ravi，S.和Liu，H.2016昆虫翅膀飞行的空气动力学、传感和控制。程序。R.Soc.A47220150712。
[76] Shyy，W.、Lian，Y.、Tang，J.、Viieru，D.和Liu，H.2008低雷诺数飞行器的空气动力学。剑桥大学出版社。
[77] Somps，C.&Luttges，M.1985蜻蜓飞行：非定常分离流的新用途。科学2281326-1329。
[78] Spagnolie，S.E.、Moret，L.、Shelley，M.和Zhang，J.2010被动俯仰扑翼运动中的惊人行为。物理学。新冠肺炎22041903·Zbl 1190.76116号
[79] Stanford，B.，Kurdi，M.，Beran，P.&Mcclung，A.2012动力最佳悬停机翼的形状、结构和运动学参数化。J.飞机49，1687-1699。
[80] Stewart，W.J.，Tian，F.B.，Akaneeti，O.，Walker，C.J.&Liao，J.C.2016避难虹鳟鱼有选择地利用串联圆柱后面的水流。《实验生物学杂志》219，2182-2191。
[81] Sun，M.&Tang，J.2002果蝇模型扑翼运动产生的非定常气动力。《实验生物学杂志》205，55-70。
[82] 铃木，K.，Minami，K.和Inamuro，T.2015通过一个奶油状扑翼翼身模型产生升力和推力：浸没边界晶格Boltzmann模拟。《流体力学杂志》767、659-695。
[83] Taguchi，M.和Liao，J.C.2011虹鳟在湍流中消耗的氧气较少：不同速度下游泳行为的能量学。《生物实验杂志》2141428-1436。
[84] Taira，K.和Colonius，T.2009低雷诺数下低展弦比平板机翼周围的三维流动。《流体力学杂志》623187-207·Zbl 1157.76321号
[85] Taylor，G.K.，Nudds，R.L.&Thomas，A.L.R.2003飞行和游泳动物以高能效的Strouhal号巡航。《自然》425707-711。
[86] 田福斌、罗宏、宋建鲁、X.-Y.2013向前飞行中柔性扑翼的力产生和不对称变形。《流体结构杂志》36，149-161。
[87] Tian，F.B.，Luo，H.，Zhu，L.，Liao，J.C.&Lu，X.Y.2011弹性细丝流体动力相互作用的有效浸没边界晶格Boltzmann方法。J.计算。物理230、7266-7283·Zbl 1327.76106号
[88] Triantafylou，M.S.，Techet，A.H.，Zhu，Q.，Beal，D.N.，Hover，F.S.&Yue，D.K.P..2002鱼类推进和操纵中的涡度控制。集成。公司。生物42，1026-1031。
[89] Van Buren，T.，Floryan，D.&Smits，A.J.2019同时垂荡和俯仰箔片的缩放和性能。美国汽车协会J.57，3666-3677。
[90] Wang，L.&Tian，F.-B.2020悬停飞行中三维柔性扑翼发声的数值研究。《流体结构杂志》99，103165。
[91] Wang，L.，Tian，F.-B.和Liu，H.2022超低密度大气中三维扑翼悬停的数值研究。物理学。流体34041903。
[92] Wang，Q.，Goosen，J.F.L.&Van Keulen，F.2016A扑翼气动载荷的预测准静态模型。《流体力学杂志》800、688-719·Zbl 1445.76050号
[93] Wang，Q.，Goosen，J.F.L.&Van Keulen，F.2017扑翼的最佳俯仰轴位置，以实现高效悬停飞行。生物激励。仿生学.12，056001。
[94] Wang，Z.，Du，L.，Zhao，J.，Thompson，M.&Sun，X.2020俯仰和俯冲翼型的流致振动。J.流体力学885，A36·Zbl 1460.76084号
[95] Wang，Z.J.2005昆虫飞行解剖。每年。流体力学修订版37，183-210·Zbl 1117.76080号
[96] Wang，Z.J.和Russell，D.2007悬停蜻蜓飞行中前翼和后翼相互作用对气动力和功率的影响。物理学。修订稿99，148101。
[97] Whitney，J.P.&Wood，R.J.2010扑翼飞行中被动旋转的空气动力学。《流体力学杂志》660197-220·Zbl 1205.76318号
[98] Willmott，A.P&Ellington，C.P.1997鹰蛾Manduca sexta的飞行力学。二、。运动学和形态变化的空气动力学后果。《实验生物学杂志》200，2723-2745。
[99] Wu，K.，Nowak，J.&Breuer，K.S.2019昆虫被动俯仰扑翼性能的缩放。J.R.Soc.接口1620190609。
[100] Xu，L.，Tian，F.-B.，Young，J.&Lai，J.C.S.2018一种用于中高雷诺数下流体-结构相互作用的新型几何自适应笛卡尔网格浸没边界-晶格Boltzmann方法。J.计算。《物理学》375、22-56·Zbl 1416.76247号
[101] Yin，B.&Luo，H.2010机翼惯性对柔性扑翼悬停性能的影响。物理学。流体22111902。
[102] Young，J.，Walker，S.M.，Bomphrey，R.J.，Taylor，G.K.&Thomas，A.L.R.2009昆虫翅膀设计和变形的细节提高了空气动力学功能和飞行效率。科学3251549-1552。
[103] Yu，D.，Mei，R.&Shyy，W.2002A粘性流体流动的多块格子Boltzmann方法。国际数字学会。方法。液体3999-120·Zbl 1036.76051号
[104] Zhang，J.，Liu，N.-S.和Lu，X.-Y.2010被动扑动平板的运动。《流体力学杂志》659、43-68·Zbl 1205.76319号
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