介电弹性薄膜翼型的增升效应机理

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28318

流体力学与飞行力学

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介电弹性薄膜翼型的增升效应机理

康伟(), 胡仕林, 王彦清

西北工业大学航天学院，西安 710072

收稿日期:2022-11-28 修回日期:2022-12-13 接受日期:2022-12-26 出版日期:2023-09-25 发布日期:2022-12-27
通讯作者: 康伟 E-mail:wkang@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11972307);基础科研基金(JCKY2021204B141)

Lift enhancement mechanism of dielectric elastic membrane airfoil

Wei KANG(), Shilin HU, Yanqing WANG

School of Astronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2022-11-28 Revised:2022-12-13 Accepted:2022-12-26 Online:2023-09-25 Published:2022-12-27
Contact: Wei KANG E-mail:wkang@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11972307);Fundamental Research Foundation(JCKY2021204B141)

摘要/Abstract

摘要：

蝙蝠在低雷诺数飞行状态能够通过膜翼的主动变形使其获得高机动性和飞行效率。这种翼型主动变形的仿生特性为智能飞行器气动与控制设计提供了新的思路。本文将介电弹性高聚合物材料直接应用到了翼型的设计中，利用介电弹性体电致变形的特点提出了具有主动控制功能的介电弹性薄膜翼型。针对电活性材料结构的力学特性，引入热力学理论框架，描述力-电耦合效应。采用CFD/CSD耦合技术建立基于介电弹性聚合物材料的气动-结构-电磁耦合动力学模型，并对所提方法进行验证。研究结果表明，介电弹性薄膜翼型在攻角为14°时相对刚性翼型增升12.33%，且翼型弯度变形与振动效应对增升的贡献比为3∶2；当外加电压使得流场频率与振动频率在前两阶频率相同，且二阶主频率不小于刚性翼型流场二阶主频时，介电弹性薄膜翼型的增升效应高于10%。所提方法与研究结论为研发智能飞行器的气动分析与控制设计提供了重要的技术支撑。

关键词: 介电弹性薄膜翼型, 多物理场耦合, CFD/CSD耦合, 流动控制, 增升效应

Abstract:

Active morphing of bat wings can gain high maneuverability and efficiency in low Reynolds number flow， offering a novel aerodynamic design concept for smart aerocraft. Here， the dielectric elastic high polymer material is directly applied to the design of airfoil. A dielectric elastic membrane airfoil with semi-active control function is proposed based on the aero-electro-structural behaviors of dielectric elastic polymer actuators. The dynamic modeling of membrane wings is established according to the thermodynamics theory to describe complex electromechanical behaviors. As for fluid， a high-fidelity aero-electromagnetic-structural coupling model of the membrane wings is established using the high-precision CFD/CSD coupling technique and is verified afterwards. The results show that the lift of the dielectric elastic membrane airfoil under passive control is 12.33% higher than that of the rigid airfoil at an angle of attack of 14°， and that the contribution ratio of the cambered deformation and vibration effect of the airfoil to the lift enhancement is 3∶2. The dielectric elastic membrane airfoil under semi-active control shows a lift enhancement of more than 10% only at a specific voltage. The methods proposed and research conclusions will provide important technical support for aerodynamics and control design of smart aero-vehicles.

Key words: dielectric elastic membrane airfoil, multiphysical coupling, CFD/CSD coupling, flow control, lift enhancement effect

中图分类号:

V211.3

康伟, 胡仕林, 王彦清. 介电弹性薄膜翼型的增升效应机理[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 128318-128318.

Wei KANG, Shilin HU, Yanqing WANG. Lift enhancement mechanism of dielectric elastic membrane airfoil[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(18): 128318-128318.

图/表 17

图 1

图 2

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表1

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参考文献 24

1	MUELLER T J， DELAURIER J D. Aerodynamics of small vehicles［J］. Annual Review of Fluid Mechanics， 2003， 35： 89-111.
2	SONG A， BREUER K. Dynamics of a compliant membrane as related to mammalian flight［C］∥45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2007.
3	ROJRATSIRIKUL P， WANG Z， GURSUL I. Unsteady fluid-structure interactions of membrane airfoils at low Reynolds numbers［J］. Experiments in Fluids， 2009， 46（5）： 859-872.
4	ROJRATSIRIKUL P， GENC M S， WANG Z， et al. Flow-induced vibrations of low aspect ratio rectangular membrane wings［J］. Journal of Fluids and Structures， 2011， 27（8）： 1296-1309.
5	SUN X J， ZHANG X Y， SU Z A， et al. Experimental study of aerodynamic characteristics of partially flexible NACA0012 airfoil［J］. AIAA Journal， 2022， 60（9）： 5386-5400.
6	HAYS M R， MORTON J， DICKINSON B， et al. Aerodynamic control of micro air vehicle wings using electroactive membranes［J］. Journal of Intelligent Material Systems and Structures， 2013， 24（7）： 862-878.
7	CURET O M， CARRERE A， WALDMAN R， et al. Aerodynamic characterization of a wing membrane with variable compliance［J］. AIAA Journal， 2014， 52（8）： 1749-1756.
8	LIAN Y S， SHYY W. Three-dimensional fluid-structure interactions of a membrane wing for micro air vehicle applications［C］∥Proceedings of the 44th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures， Structural Dynamics， and Materials Conference. Reston ： AIAA， 2003.
9	LIAN Y S， SHYY W， VIIERU D， et al. Membrane wing aerodynamics for micro air vehicles［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2003， 39（6-7）： 425-465.
10	GORDNIER R E. High fidelity computational simulation of a membrane wing airfoil［J］. Journal of Fluids and Structures， 2009， 25（5）： 897-917.
11	MOLKI M， BREUER K. Oscillatory motions of a prestrained compliant membrane caused by fluid-membrane interaction［J］. Journal of Fluids and Structures， 2010， 26（3）： 339-358.
12	BUOSO S， PALACIOS R. Electro-aeromechanical modelling of actuated membrane wings［J］. Journal of Fluids and Structures， 2015， 58： 188-202.
13	BUOSO S， PALACIOS R. Viscoelastic effects in the aeromechanics of actuated elastomeric membrane wings［J］. Journal of Fluids and Structures， 2016， 63： 40-56.
14	白鹏，李锋，詹慧玲，等. 翼型低Re数小攻角非线性非定常层流分离现象研究［J］. 中国科学：物理学力学天文学， 2015， 45（2）： 46-57.
	BAI P， LI F， ZHAN H L， et al. Study about the non-linear and unsteady laminar separation phenomena around the airfoil at low Reynolds number with low incidence［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica & Astronomica）， 2015， 45（2）： 46-57 （in Chinese）.
15	肖天航，昂海松，周新春. 柔性扑翼非定常流场的数值计算方法［J］. 航空学报， 2009， 30（6）： 990-999.
	XIAO T H， ANG H S， ZHOU X C. Numerical method for unsteady flows of flexible flapping-wings［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2009， 30（6）： 990-999 （in Chinese）.
16	孟令兵，昂海松，肖天航. 基于CFD/CSD方法的蜻蜓柔性翼气动特性分析［J］. 航空动力学报， 2014， 29（9）： 2063-2069.
	MENG L B， ANG H S， XIAO T H. Analysis of aerodynamic characteristics of flexible wing of dragonfly based on CFD/CSD method［J］. Journal of Aerospace Power， 2014， 29（9）： 2063-2069 （in Chinese）.
17	康伟，刘磊，徐敏，等. 低雷诺数下翼面局部振动增升机理研究［J］. 航空学报， 2015， 36（11）： 3557-3566.
	KANG W， LIU L， XU M， et al. Lift enhancement mechanism for local oscillation of airfoil surface at low Reynolds number［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36（11）： 3557-3566 （in Chinese）.
18	康伟，张家忠. 翼型局部弹性自激振动的增升减阻效应研究［J］. 西安交通大学学报， 2011， 45（5）： 94-101.
	KANG W， ZHANG J Z. Numerical analysis of lift enhancement and drag reduction by self-induced vibration of localized elastic airfoil［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2011， 45（5）： 94-101 （in Chinese）.
19	KANG W， XU M， YAO W G， et al. Lock-in mechanism of flow over a low-Reynolds-number airfoil with morphing surface［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 97： 105647.
20	袁先旭，陈坚强，杜雁霞，等. 国家数值风洞（NNW）工程中的CFD基础科学问题研究进展［J］. 航空学报， 2021， 42（9）： 625733.
	YUAN X X， CHEN J Q， DU Y X， et al. Research progress on fundamental CFD issues in National Numerical Windtunnel project［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（9）： 625733 （in Chinese）.
21	王将升，王晋军. 多段翼低雷诺数绕流涡-边界层相互干扰［J］. 航空学报， 2023， 44（12）： 127652.
	WANG J S， WANG J J. Vortex/boundary-layer interactions over multi-element airfoil at low Reynolds number［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（12）： 127652 （in Chinese）.
22	SUO Z G， ZHAO X H， GREENE W H. A nonlinear field theory of deformable dielectrics［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 2008， 56（2）： 467-486.
23	SUO Z G. Theory of dielectric elastomers［J］. Acta Mechanica Solida Sinica， 2010， 23（6）： 549-578.
24	SANCHEZ R， PALACIOS R， ECONOMON T D， et al. Optimal actuation of dielectric membrane wings using high-fidelity fluid-structure modelling［C］∥58th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures， Structural Dynamics， and Materials Conference. Reston： AIAA， 2017.

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结构参数	数值
弦长/mm	136.6
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弹性模量/Pa	34 150
结构密度/（kg·m^-3）	402.3
下底面压力载荷/Pa	0.7

结构参数	数值	流体参数	数值
弦长/mm	136.6	来流速度/（m·s^-1）	1.0
厚度/mm	0.2	流体密度/（kg·m^-3）	1.0
弹性模量/Pa	34 150	Re	2 500
结构密度/（kg·m^-3）	402.3	攻角/（°）	4

[1]	王畅, 何龙, 徐栋霞, 唐敏, 马率, 吴希明. 共轴刚性旋翼桨毂流动控制减阻研究[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529084-529084.
[2]	谢玮, 罗振兵, 周岩, 刘强, 吴建军, 董昊. 高超声速双楔激波干扰定常射流控制试验研究[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 128813-128813.
[3]	李广佳, 王红波, 张凯, 仪志胜. 临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529644-529644.
[4]	高世琦, 丁博, 解旭祯, 李铮, 陈林, 钱首元, 焦子涵, 白光辉. 等离子体激励在高速流动中的减阻机制[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729373-729373.
[5]	王旺, 饶彩燕, 徐聪, 李思怡, 段毅, 张健. 激光能量沉积对超声速进气道流动的控制效果[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729424-729424.
[6]	张健, 张敏, 杜娟, 黄伟亮, 聂超群. 自适应康达喷气控制在高负荷压气机中的试验研究[J]. 航空学报, 2023, 44(22): 128883-128883.
[7]	王梦格, 何小明, 王娟娟, 张悦, 汪昆, 谭慧俊, 李留刚. 基于振荡式涡流发生器的激波/边界层干扰控制方法[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 128503-128503.
[8]	张刘, 黄勇, 陈辅政, 朱正龙, 郭天豪, 姜裕标, 周铸. 基于环量控制的无尾飞翼俯仰和滚转两轴无舵面姿态控制飞行试验[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 128224-128224.
[9]	田珊珊, 金亮, 杜兆波, 钟翔宇, 黄伟, 刘远洋. 基于鼓包的激波/边界层干扰控制研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 28411-028411.
[10]	刘汉儒, 陈南树, 刘宇, 胡之颉. 多孔介质流动控制及气动降噪研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 27923-027923.
[11]	李灿民, 黄河峡, 梁钢, 吕靖昊, 蔡佳, 谭慧俊. 基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 128091-128091.
[12]	朱广生, 姚世勇, 段毅. 高速飞行器减阻降热流动控制技术研究进展及工程应用[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 529049-529049.
[13]	罗振兵, 谢玮, 解旭祯, 周岩, 刘强. 激波及其干扰主动流动控制研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 529002-529002.
[14]	王万波, 姜裕标, 黄勇, 张鑫, 魏然. 大型飞机襟翼吹气增升风洞试验[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 0-127870-.
[15]	丁博, 陈真利, 焦子涵, 王锦程, 李铮, 白光辉. 脉冲表面电弧放电对高超声速压缩拐角的非定常控制机理[J]. 航空学报, 2023, 44(12): 127744-127744.

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