[发明专利]仿蒲公英的飞行器、飞行器的设计方法及分析方法

说明书

本发明了公开了一种仿蒲公英的飞行器、飞行器的设计方法及分析方法，其中，该飞行器包括圆盘和环绕圆盘的若干根细长形的方柱，设计方法的步骤包括：根据阻力系数确定圆盘的直径与厚度；所述圆盘的边缘为尖锐状；确定细长形的方柱尺寸，其中所述方柱均匀分布在所述圆盘一侧的四周且与所述圆盘刚性连接；根据飞行器的雷诺数确定方柱的数量，使得飞行器在飞行过程中尾迹处形成稳定的环状涡并且飞行器的阻力系数最高；该飞行器不同于常规飞行器的流线式外形，该飞行系统的圆盘与方柱均是尖锐的边缘，这能使其在垂直飞行时较于流线型产生更高的阻力系数，即单位面积上的作用力更高，从而获得更强的负载能力，并且无需考虑常规飞行器所需的升阻比要求。

技术领域

本发明涉及飞行器领域，特别涉及一种仿蒲公英的飞行器、飞行器的设计方法以及分析方法。

背景技术

目前对于蒲公英飞行的气动力学研究匮乏，但可将蒲公英的特殊构型类比于带缝隙的圆盘，其由两部分构成：中心的小圆盘和附着在其周围呈辐条分布的方柱，呈现出具有尖锐边缘的降落伞结构，该结构与实心圆盘的差异在于周向分布的缝隙对于蒲公英的悬停起稳定作用并能延迟湍流的产生。同时，与常规飞行器的前缘涡脱落而形成升力的机制不同，蒲公英顶端的冠毛为钝体，气动力以阻力为主，结合高孔隙率的结构特点，能提供较高的阻力系数，单位面积内受力大，即负载能力强，且雷诺数仅为O(10²)，低雷诺数下稳定的气动特性成为蒲公英飞行的关键特征。

当置于立式的低雷诺数气流中，在一定范围内的孔隙率下可观测到近尾迹区的一对稳定的涡环。此种涡结构在低雷诺数环境下能稳定地维持在蒲公英冠毛下游。较实心圆盘而言，虽因作用面积的减小而使得阻力减小，但较高的孔隙率却能获得高于实心圆盘3至4倍的阻力系数，即单位面积上的作用力更大，增强了负载能力。

目前关于带孔隙的钝体绕流现象主要集中在涡结构的辨识和涡脱落频率的测量。涡结构由雷诺数决定，在关键雷诺数以下为无回旋的层流或稳定的环状涡，当超过关键雷诺数，环状涡逐渐失稳而出现分叉涡，甚至会随雷诺数加大转变为湍流。由于流经蒲公英的垂直气流速度小，低雷诺数的飞行条件保证了持续的环状涡以维持飞行的稳定。该涡结构由一对密闭回流区构成，其尺寸与雷诺数成正相关，它是外边缘的剪切层作用的结果。当气流流经钝体时，由于外侧与内侧的流速差异导致在钝体边缘形成剪切层，钝体后部速度降低，流量减小，需要与剪切层进行夹带实现动量平衡。而周向的缝隙允许更多的气流进入尾迹，弥补了尾迹中的动量损失和剪切层的夹带需要，涡量的生成和对流一旦相互制衡，则不必形成回流区，因此涡环的尺寸与孔隙率成负相关。缝隙的存在不仅提高了涡旋脱落时的关键雷诺数，延迟了湍流的发生。除此以外，钝体绕流中的阻力系数尤为关键，与等尺寸的实心圆盘相比，虽由于缝隙的存在使得作用面积和阻力同时减小，但面积的减小发挥的作用更显著，因此能获得高于实心圆盘几倍的阻力系数。且在同一雷诺数下，随着缝隙的加大，阻力系数出现上升而达到一定峰值，该峰值意味着在该飞行速度下的最优负载能力。通过测量发现基压系数与阻力系数呈现相同的变化趋势，因此基压的分布成为影响阻力系数的关键因素。

钝体绕流的数值模拟是用网格划分的方法将控制方程离散成方程组，数值求解N-S方程，并考虑粘性项以获得流场中的相关变量。现有研究多采用有限元法求解非定常不可压N-S方程，并进行PIV试验与计算结果相比较，发现数值模拟能准确反映阻力随钝体构型和雷诺数的变化规律，较准确地捕捉涡结构和脱落频率。

综上所述，现有技术存在的问题是：

（1）现有的理论是以蒲公英的简化构型为基础，忽略了蒲公英真实模型的弯曲并将丝状绒毛简化为方柱，与真实构型或存在一定差异。

（2）蒲公英的无动力远距离飞行是依靠阻力与自身重量的平衡实现，但简化构型的差异和雷诺数的不同还不能很好的解决低雷诺数下两者的平衡。

（3）针对飞行器的气动特性分析多停留在涡结构的辨识和阻力系数的探讨，但缺少对涡环的几何尺寸、运动参数和形成机理的研究；且缺乏与实心圆盘的对比，无法验证飞行器中，缝隙所发挥的优势。