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基于CFD方法的扑翼飞行器鸟翼设计与分析

张海波 邱文倩 颜存玥 李传昌

张海波, 邱文倩, 颜存玥, 李传昌. 基于CFD方法的扑翼飞行器鸟翼设计与分析[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(4): 396-402, 450. doi: 10.12299/jsues.24-0397
引用本文: 张海波, 邱文倩, 颜存玥, 李传昌. 基于CFD方法的扑翼飞行器鸟翼设计与分析[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(4): 396-402, 450. doi: 10.12299/jsues.24-0397
ZHANG Haibo, QIU Wenqian, YAN Cunyue, LI Chuanchang. Design and analysis of bird wing for flapping-wing aircraft based on CFD method[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(4): 396-402, 450. doi: 10.12299/jsues.24-0397
Citation: ZHANG Haibo, QIU Wenqian, YAN Cunyue, LI Chuanchang. Design and analysis of bird wing for flapping-wing aircraft based on CFD method[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(4): 396-402, 450. doi: 10.12299/jsues.24-0397

基于CFD方法的扑翼飞行器鸟翼设计与分析

doi: 10.12299/jsues.24-0397
基金项目: 国家自然科学基金(51471105);上海高校知识创新工程(085工程)项目(JZ0901)
详细信息
    作者简介:

    张海波(1975 − ),男,讲师,硕士,研究方向为机械结构设计、液压与气动及智能机器人控制。E-mail:zhanghaibo@sues.edu.cn

    通讯作者:

    李传昌(1982 − ),男,副教授,博士,研究方向为机电液智能控制研究。E-mail:lichuanchang@126.com

  • 中图分类号: V276

Design and analysis of bird wing for flapping-wing aircraft based on CFD method

  • 摘要: 提出一种采用双“S”形对偶力矩传动机构的扑翼飞行器,为提高其运动性能,基于CFD方法对扑翼模型进行深入分析与优化。重点调整翼型的几何设计,包含前缘半径、后缘角、翼展长度以及翼型厚度等关键参数,以获得更优的气动升阻比。在ANSYS软件中利用优化后的网格算法生成高质量网格,并采用动网格技术对飞行器的运动过程进行流体力学仿真,分析飞行器在不同飞行姿态下的压力云图和速度云图,验证改进后的飞行器结构。结果表明,改进后的翼型能够有效减少压力集中并抑制涡流。
  • 图  1  扑翼飞行器整体框架设计

    Figure  1.  Overall framework design of flapping-wing aircraft

    图  2  鸟翼结构三维模型

    Figure  2.  Three-dimensional model of bird wing structure

    图  3  鸟翼运动坐标系简图

    Figure  3.  Coordinate system diagram of bird wing motion

    图  4  多面体网格示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of polyhedral mesh

    图  5  处理后的扑翼飞行器模型

    Figure  5.  Processed flapping-wing aircraft model

    图  6  扑翼飞行器网格图

    Figure  6.  Flapping-wing aircraft mesh diagram

    图  7  y轴阻力图

    Figure  7.  y-axis resistance diagram

    图  8  压力三维可视图

    Figure  8.  Pressure 3D visible view

    图  9  不同入口风速下的压力云图

    Figure  9.  Pressure contours at different inlet velocities

    图  10  不同迎角下压力云图

    Figure  10.  Pressure contours at different angles of attack

    图  11  不同迎角下速度云图

    Figure  11.  Velocity contours at different angles of attack

    图  12  改进后不同迎角下的压力云图

    Figure  12.  Improved pressure contours at different angles of attack

    图  13  改进后的不同迎角下的速度云图

    Figure  13.  Improved velocity contours at different angles of attack

    表  1  机翼几何参数

    Table  1.   Geometric parameters of wing

    参数名称 数值
    机翼弦长$ c $ /mm 120
    机翼弯度$ f $ /mm 10.76
    机翼相对弯度$ \stackrel{-}{f} $/mm 0.089
    机翼厚度$ t $ /mm 21.22
    机翼相对厚度$ \stackrel{-}{t} $/mm 0.176
    机翼前缘半径$ {r}_{1} $/mm 6.2
    机翼相对前缘半径$ \bar{{r}_{1}} $/mm 0.051
    机翼后缘角$ \tau $/(°) $ {\text{tan}}\left(\dfrac{\tau }{2}\right)=0.5 $
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    表  2  几何尺寸与升力、阻力之间的关系

    Table  2.   Relationship between geometric dimensions and lift resistance

    主翼面积
    S/mm2
    副翼面积
    S/mm2
    翼展
    b/mm
    升力
    F/N
    阻力
    F/N
    26 350 41 250 578.2 −0.84 0.00
    39 525 61 875 867.3 −1.92 −0.01
    52 700 82 500 1 156.4 −3.43 −0.02
    65 875 103 125 1 445.4 −5.37 0.00
    79 050 123 750 1 734.5 −7.88 −0.02
    105 400 165 000 2 312.7 −0.04 −13.93
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    表  3  网格无关性验证结果

    Table  3.   Mesh independence verification results

    尺寸/mm 网格数 升力/N 升力误差/%
    12 169 603 −0.613 8 1.10
    6 461 017 −0.624 6 0.64
    4 912 260 −0.627 1 1.04
    2 3 123 450 −0.608 7 1.92
    1 11 695 895 −0.629 0 1.35
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-12-30
  • 网络出版日期:  2026-02-02
  • 刊出日期:  2025-12-01

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