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鸟类飞行原理及常规流动计算方法

时间:2023-10-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:它们使用“斯德鲁哈尔数”表示翼的垂直位移和前进速度的比值,它必须小于0.5才能保证升力附着流动持续稳定。准稳态或面元法已被用于计算鸟翼上常规附着流动产生升力和推力的大小。麻雀的斯德鲁哈尔数为0.23,远低于上限0.5。Bilo对数值这么低的准稳态方法产生质疑。此外,Bilo发现,翼下末端的攻角在下冲过程中途前以3 600°·s-1下降,此后以5 700°·s-1快速增加。

鸟类飞行原理及常规流动计算方法

当气流以小攻角与翼接触时,气流会围绕具有圆形前缘的静态翼产生稳定的环流以及升力(见第1章)。我们可以构造一个围绕扑翼的环流吗?飞机设计师知道垂直位移会严重减弱或增强翼产生升力的能力。它们使用“斯德鲁哈尔数”表示翼的垂直位移和前进速度的比值,它必须小于0.5才能保证升力附着流动持续稳定。大多数鸟的臂翼能在这个限度内工作,但这对手翼来说不太可能。

准稳态或面元法已被用于计算鸟翼上常规附着流动产生升力和推力的大小。该方法需要将翼切成窄条。每个窄条在翼拍打周期已知的情况下与流速和攻角有关。每个窄条上单位长度下的空气动力,被分解成垂直于流动的分量和与流通反向的阻力分量。如果我们知道每个窄条上的升力系数和阻力系数,就可以计算单位翼长度上的瞬时升力和阻力。这些都取决于翼型的空气动力特征,并且必须在翼拍打时测量所有攻角下的每个部分,或者通过与记录的飞机翼数据来比较近似得出(在万维网有庞大的数据库)。在翼的一个拍打周期内,确定气流对每个翼段的方向是很困难的,因为需要对在静止空气飞行中的鸟翼运动进行三维分析。Oehme(1963)对欧椋鸟和欧亚黑鸟的翅膀做了三个切片,并用运动学分析自由飞行鸟类的入射角。Hummel和Mollenstadt(1977)通过Bilo(1971)拍摄记录的数据,在麻雀下冲过程中的一瞬间做了准稳态分析。麻雀的斯德鲁哈尔数为0.23,远低于上限0.5。Bilo(1980)对数值这么低的准稳态方法产生质疑。他认为旋转和扭转振荡的频率比约为22 Hz的拍打频率高12倍,在向下击打翼时被叠加在基本运动上。在下冲过程中,翼远端以260 Hz的频率振动,麻雀的手翼比臂部更快速振动。此外,Bilo发现,翼下末端的攻角在下冲过程中途前以3 600°·s-1下降,此后以5 700°·s-1快速增加。这些论点有力地证明了稳态空气动力学并不能解释鸟的飞行,我们应该寻找其他方法解释升力。叶片单元法可以给大型的鸟翼在中等频率到较低频率以下振动时给出合理的结果,即使在上冲过程中也可以保证翼的伸展。令人惊讶的是(据我所知)还没人做过这样的研究。(www.xing528.com)

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