仿蒲公英飞行器飞行机理研究

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蒲公英种子因其在传播过程中的远距离飞行能力以及缓降特点,引起业界广泛关注。在飞行器不断朝向体积小巧、重量轻便、高隐蔽性以及高机动性的主流发展趋势下,蒲公英种子优异的飞行性能和其能够最大程度减重的冠毛结构能够很好的满足未来飞行器发展的需求。研究蒲公英种子及其仿生飞行器的飞行机理,能为研制长航时、低耗能的微型仿生飞行器提供新的设计思想。本文以仿蒲公英飞行器飞行机理的研究为目标,分析蒲公英种子飞行过程中的阻力特性和稳定性特点,根据蒲公英种子生物形态参数建立仿蒲公英飞行器的有效模型,探明影响仿蒲公英飞行器阻力特性的主要因素及其影响机制,主要研究内容分为四部分。第一部分主要研究自然界蒲公英种子的生物特性。基于微生物鞭毛的阻力理论,对蒲公英种子飞行过程中的受力情况进行分析并给出相应的阻力系数计算公式,从理论角度分析影响仿蒲公英飞行器阻力系数的主要因素;第二部分主要研究仿蒲公英飞行器的有效模型构建,参考生物测定结果以及理论模型,建立仿蒲公英飞行器的几何模型,提出所构建模型的渗透性表达式,并对模型SVR的存在性进行分析。同时,通过仿真计算所构建模型的阻力系数,并将其与自然界蒲公英种子的阻力系数进行对比,验证本文所构建的仿蒲公英飞行器的有效性;第三部分主要研究冠毛形状、冠毛数量以及孔隙率对仿蒲公英飞行器阻力系数的影响,从仿真角度分析影响仿蒲公英飞行器阻力特性的主要几何参数及其影响机制;第四部分针对非理想情况,研究来流对仿蒲公英飞行器阻力系数的影响。本文通过一系列理论分析以及仿真实验探索仿蒲公英飞行器的稳定性机理、升阻力特性等基础问题,得到了有关仿蒲公英飞行器涡旋稳定性以及阻力特性影响机制的一般性结论。渗透性是蒲公英种子能够产生SVR的重要条件,当圆柱形冠毛的仿蒲公英飞行器的孔隙率在自然界蒲公英种子孔隙率的取值范围内,其Da值数量级在10-5-10-4之间,满足产生稳定SVR的必要条件,同时,能够获得与自然界蒲公英种子相近的阻力系数。在不削弱冠毛间相互作用的情况下,减少冠毛数量,提高孔隙率,能够获得更大的阻力系数。且仿蒲公英飞行器在55°-60°方向来流的影响下可在竖直方向上获得最大的阻力系数,减缓下降速度,为远距离飞行提供时间。本文所提出的仿蒲公英飞行器模型能够达到形态仿生和功能仿生的目标,为仿蒲公英飞行器的进一步设计提供了重要的理论依据支撑。
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