昆虫的高升机理

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1、作者姓名：吴江浩论文题目：昆虫的高升力机理及果蝇、熊蜂、鹰蛾前飞时的气动力和能耗作者简介：吴江浩，男，1976年9月出生，1999年9月师从于北京航空航天大学孙茂教授，于2004年3月获博士学位。中文摘要20世纪末，人们提出了微型飞行器的新概念。曲于微型飞行器冇十分重要的应用前景，许多研究机构积极开展微型飞行器的研制工作。厘米量级的微型飞行器与自然界屮的飞虫在大小上接近，因此，研究昆虫的飞行机理对微型飞行器的设计有重要的指导作用。昆虫飞行具有小雷诺数、高非定常性和高机动性的特点，研究此类新流动现彖，可以丰富流体力学理论知识。昆虫飞行机理的研究成果在昆虫生态学，生理学，行为学及进化等领域也发挥着

2、重要作用。因而，昆虫飞行机理的研究冇重要的应用背景；昆虫飞行机理问题是当前流体力学研究的前沿问题，也是生物学研究的重要问题。早期的研究工作中，人们试图用准定常空气动力学理论来分析昆虫的飞行，发现所得升力不能平衡昆虫体重，当然更无法解释昆虫机动飞行时所需的高升力。这表明昆虫是用非定常效应来产生足够的气动力的。90年代，人们开始研究昆虫的非定常流动过程及其机理。1996年Ellington等在鹰蛾翅膀的流动显示实验中发现了询缘涡不脱落现象并由此提出“不失速机制1999年Dickinson等制作了果蝇翅膀的自动拍动模型，测量了气动力随吋间的变化，证实了Ellington的发现。但不失速机制的物理成

3、因还不清楚。人们通过实验测量和数值模拟的方法研究昆虫飞行的气动力多限于个别对彖（如鹰蛾和杲蝇）的悬停飞行。不同昆虫翅膀尺寸大小不同，拍动参数（如拍动幅度，频率等）也不同。拍动翅的气动力是怎样随这些参数变化的，高升力机制是否在整个参数的变化范围内都存在等问题目前尚不清楚。过去受实验条件的限制，人们对昆虫飞行的研究多限于悬停。昆虫多数时间是在一定的速度范围内飞行，而非只是悬停。前飞与悬停最大的区别在丁•翅膀拍动平而在不同速度下向前倾斜不同的角度，除了升力平衡重力外，推力要平衡身体阻力。此时是否有新的气动力机制还不清楚。另外，生物学家为了分析昆虫飞行方式对■其生态学，生理学以及进化等方面的影响，迫切

4、的希累了解其飞行的能耗及能耗随飞行速度的变化，口前这方面的研究还未开展。针对上述问题，本文作了如下研究。首先，通过对N-S方程及拍动运动的无因次化，确定支配拍动翅气动力系数的无因次参数及这些参数的变化范围，探讨大小不同的昆虫（在悬停飞行时）是否是用相同的高升力机制一一不失速机制——产生升力的。然后，设计专门的数值实验,研究前缘涡不脱落的物理原因（前缘涡不脱落导致了不失速机制这一高升力机制）。最后，研究昆虫前飞时的高升力机制并研究昆虫飞行的能耗问题。木文采用拟压缩性方法数值求解三维不可压N・S方程作为研究方法；在研究新问题之前，用相关实验结果对数值方法及程序进行了详细的验证。关于支配参数及高升力

5、机制的研究，有如下结果：影响气动力系数的无因次参数为：雷诺数Re,拍动幅角①，拍动攻角如，翅膀翻转吋间X和前进比八斯特劳哈尔数S/恒为1）。不同昆虫的①，召及的变化不大（①为120。左右，冷在30。-50。之间变化，"「约为拍动周期的25%）,而雷诺数的变化范围较大（屉=10・10000）。故悬停时（丿=0）气动力系数的变化主要受雷诺数支配。发现存在一“临界雷诺数”（屉=100）：当屉大于约100时，平均升力系数随屉的变化不大，其主要由不失速机制产生；当屉小于约100吋，平均升力系数迅速减小。这表明,屉约在100（翅长约在2・3mm）以上的昆虫悬停飞行的升力主要由不失速机制产生；雇在儿十（翅长

6、约在1mm）以下的昆虫，除不失速机制外，述需要其它高升力机制，。上述研究成杲发表丁•国际著名刊物JournalofExperimentalBiology（2004；影响因了2.5）,并在短期内被国外学者他引6次（其中5次为SCI他引，1次为AIAAMeeting他引；详见证明材料）。关于前缘涡物理成因的研究，有如下结果：拍动起动后，市于攻角大（am=30°-50°）,流动在前缘分离而产生前缘涡；拍动过程中，翅膀相对速度沿翅展向的变化产生了沿此方向的压力梯度，英产生并维持了从翅根到翅尖的展向流动；此展向流动携带前缘涡屮的涡量从翅根对流到翅尖，从而使前缘涡不脱落（失速不发生）。上述研究成果发表于A

7、ctaMechnicaSinica（2004）上。该论文在短期内被SCI他引1次（详见证明材料），并被UniversityofTennesseeSpaceInstitute的Jie-ZhiWu教授在其最近出版的专著"VorticityandVortexDynamics”中用较大篇幅介绍，其中写到：“Tofurtherunderstandthephysics（ofdelayedstallmechan