[论文解读] Added costs of insect-scale flapping flight in unsteady airflows

Dmitry Kolomenskiy, Sridhar Ravi+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2016

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 7被引用 3

一句话总结

本研究发现，由于非定常气流导致的机体滚转，昆虫尺度扑翼飞行器的气动合力方向发生偏转，从而降低垂直升力并增加能量消耗。通过机器人模型和数值模拟，量化了维持高度所需的额外机械功率，表明增加扑动频率和扇动幅度是补偿策略，但在湍流中存在可测量的能量代价。

ABSTRACT

The aerial environment in the operating domain of small-scale natural and artificial flapping wing fliers is highly complex, unsteady and generally turbulent. Considering flapping flight in an unsteady wind environment with a periodically varying lateral velocity component, we show that body rotations experienced by flapping wing fliers result in the reorientation of the aerodynamic force vector that can render a substantial cumulative deficit in the vertical force. We derive quantitative estimates of the body roll amplitude and the related energetic requirements to maintain the weight support in free flight under such conditions. We conduct force measurements of a miniature hummingbird-inspired robotic flapper and numerical simulations of a bumblebee. In both cases, we demonstrate the loss of weight support due to body roll rotations. Using semi-restrained flight measurements, we demonstrate the increased power requirements to maintain altitude in unsteady winds, achieved by increasing the flapping frequency. Flapping fliers may increase their flapping frequency as well as the stroke amplitude to produce the required increase in aerodynamic force, both of these two types of compensatory control requiring additional energetic cost. We analyze the existing data from experiments on animals flying in von Kármán streets and find reasonable agreement with the proposed theoretical model.

研究动机与目标

• 研究非定常、周期性风场如何在小型扑翼飞行器中引起机体滚转，从而降低垂直力的产生。
• 量化由于机体旋转导致气动合力方向偏转而维持体重支撑所付出的能量成本。
• 评估飞行器为抵消垂直力不足而采用的补偿性飞行控制策略（如提高扑动频率和扇动幅度）的影响。
• 将理论模型与微型蜂鸟仿生机器人飞行器的实验数据及大黄蜂的数值模拟结果进行验证。
• 将理论预测与已发表的动物在冯·卡门涡街中的飞行数据进行比较，评估其与观察到的代谢率的一致性。

提出的方法

• 提出了无量纲参数 $Tu_w$（相对于扑动频率的湍流强度）和 $\theta_{vk}$（机体滚转角），用于表征非定常流的影响。
• 在微型蜂鸟仿生机器人扑翼器上开展半约束飞行实验，测量在非定常风场条件下的力和功率。
• 对大黄蜂在非定常流场中的行为进行高保真度数值模拟，分析昆虫尺度下机体滚转与合力方向偏转的机理。
• 推导出机体滚转幅度与流场非定常性及扑动频率之间的理论关系，估算为补偿滚转引起的力损失所需增加的机械功率。
• 采用量纲分析和相似性定律，将研究结果推广至各类扑翼飞行器，综合考虑扑翼器的静态与动态特性。
• 将理论预测与已发表的动物在冯·卡门涡街中飞行的数据进行对比，重点关注滚转角与圆柱直径、距离及来流速度的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间周期性非定常风如何引起小型扑翼飞行器的机体滚转，其对垂直力产生有何影响？
• RQ2 流场非定常性（以 $Tu_w$ 和 $\theta_{vk}$ 表征）与由此产生的机体滚转幅度之间存在何种功能关系？
• RQ3 当机体滚转导致气动合力方向偏转时，维持高度所需的额外机械功率是多少？
• RQ4 补偿性控制策略（如提高扑动频率和扇动幅度）在非定常流中如何影响能量消耗？
• RQ5 理论预测的滚转角与功率成本在多大程度上与动物在冯·卡门涡街中飞行的实验数据一致？

主要发现

• 在非定常涡流中飞行时，大黄蜂的机体滚转达15°，鹰蛾达23°，导致气动合力方向偏转，造成垂直力明显下降。
• 在机器人扑翼器实验中，当允许滚转时，平均垂直力相比完全约束状态下降了最多12%，在非定常风场中表现显著。
• 在非定常风场中，机器人扑翼器为维持高度需消耗更高输入功率，且扑动频率单调增加以补偿滚转引起的力损失。
• 大黄蜂的数值模拟表明，当流场频率低于扑动频率时，会引发显著的机体旋转，导致垂直力严重不足。
• 理论估算的用于补偿滚转引起的力损失的额外机械功率，与报道的蜂鸟在湍流飞行中代谢率上升的数据一致。
• 所提出的模型成功预测了冯·卡门涡街实验中不同圆柱直径、与圆柱距离及来流速度下的滚转角变化趋势。