工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展 付强张祥赵民张春华贺威 Research progress on the wind tunnel experiment of a bionic flapping-wing aerial vehicle FU Qiang.ZHANG Xiang.ZHAO Min,ZHANG Chun-hua.HE Wei 引用本文： 付强，张祥，赵民，张春华，贺威.仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展.工程科学学报，优先发表.doi:10.13374.iss2095- 9389.2021.04.30.004 FU Qiang,ZHANG Xiang,ZHAO Min,ZHANG Chun-hua,HE Wei.Research progress on the wind tunnel experiment of a bionic flapping-wing aerial vehicle[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.30.004 在线阅读View online::htps/ldoi.org10.13374/.issn2095-9389.2021.04.30.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 仿生扑翼飞行器的视觉感知系统研究进展 Research progress on visual perception system of bionic flapping-wing aerial vehicles 工程科学学报.2019.41(12：1512htps:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.03.08.001 基于外部单目视觉的仿生扑翼飞行器室内定高控制 Indoor fixed-height control for bio-inspired flapping-wing aerial vehicles based on off-board monocular vision 工程科学学报.2020.42(2：249 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.08.03.002 集总干扰下六旋翼飞行器的轨迹跟踪控制 Trajectory tracking control for an unmanned hexrotor with lumped disturbance 工程科学学报.2018,40(5)：622 https::/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.05.013 基于半自主导航与运动想象的多旋翼飞行器二维空间目标搜索 Two-dimensional space target searching based on semi-autonomous navigation and motor imagery for multi-rotor aircraft 工程科学学报.2017,398：1261htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.08.017 仿鸿雁编队的无人机集群飞行验证 Verification of unmanned aerial vehicle swarm behavioral mechanism underlying the formation of Anser cygnoides 工程科学学报.2019.41(12：1599 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.12.18.001 机动车来源多环芳烃及其衍生物的排放特征研究进展 Research progress of emission characteristics of polycyclic aromatic hydrocarbons and their derivatives of vehicle exhaust 工程科学学报.2021,43(1)：10 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.08.10.002
仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展 付强 张祥 赵民 张春华 贺威 Research progress on the wind tunnel experiment of a bionic flapping-wing aerial vehicle FU Qiang, ZHANG Xiang, ZHAO Min, ZHANG Chun-hua, HE Wei 引用本文: 付强, 张祥, 赵民, 张春华, 贺威. 仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.04.30.004 FU Qiang, ZHANG Xiang, ZHAO Min, ZHANG Chun-hua, HE Wei. Research progress on the wind tunnel experiment of a bionic flapping-wing aerial vehicle[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.30.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.30.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 仿生扑翼飞行器的视觉感知系统研究进展 Research progress on visual perception system of bionic flapping-wing aerial vehicles 工程科学学报. 2019, 41(12): 1512 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.08.001 基于外部单目视觉的仿生扑翼飞行器室内定高控制 Indoor fixed-height control for bio-inspired flapping-wing aerial vehicles based on off-board monocular vision 工程科学学报. 2020, 42(2): 249 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.03.002 集总干扰下六旋翼飞行器的轨迹跟踪控制 Trajectory tracking control for an unmanned hexrotor with lumped disturbance 工程科学学报. 2018, 40(5): 622 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.013 基于半自主导航与运动想象的多旋翼飞行器二维空间目标搜索 Two-dimensional space target searching based on semi-autonomous navigation and motor imagery for multi-rotor aircraft 工程科学学报. 2017, 39(8): 1261 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.017 仿鸿雁编队的无人机集群飞行验证 Verification of unmanned aerial vehicle swarm behavioral mechanism underlying the formation of Anser cygnoides 工程科学学报. 2019, 41(12): 1599 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.001 机动车来源多环芳烃及其衍生物的排放特征研究进展 Research progress of emission characteristics of polycyclic aromatic hydrocarbons and their derivatives of vehicle exhaust 工程科学学报. 2021, 43(1): 10 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.10.002
工程科学学报.第44卷，第X期：1-13.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-13,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.30.004;http://cje.ustb.edu.cn 仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展 付 强，2)，张祥12)，赵民2)，张春华)，贺威2)区 1)北京科技大学自动化学院，北京1000832)北京科技大学人工智能研究院.北京1000833)中国兵器装备集团自动化研究所有限公 司，绵阳621000 ☒通信作者，E-mail:weihe@ieee.org 摘要仿生扑翼飞行器的设计灵感来源于自然界中的鸟类、昆虫和蝙蝠的飞行模式，通过机翼的主动运动来产生飞行所需 要的升力和推力.仿生扑翼飞行器具有隐蔽性好、机动性强等优点，成为近年来国内外飞行器研究的重点，但是仿生扑翼飞 行器研究涉及到低雷诺数、非定常空气动力学等问题，与常规固定翼飞行器有很大的不同.仿生扑翼飞行器的研究方法一般 分三种：气动计算、风洞实验和外场试飞.气动计算方面，非定常气动设计优化理论与方法目前仍存在不足：外场试飞的方法 无法精确测量出飞行器复杂的气动力，难以对飞行器进行定量分析研究：风洞实验由于可以模拟飞行时的真实情况，获得的 数据较为真实可靠，且可以定量分析研究，成为目前研究仿生扑翼飞行器非常有效的方法.国内外研究人员利用风洞进行了 大量针对仿生扑翼飞行器的实验研究.在介绍了风洞组成和分类的基础上，详细阐述了仿鸟和仿昆虫扑翼飞行器风洞实验 的研究现状，最后对仿生扑翼飞行器风洞实验未来可能的研究方向给出了建议 关键词仿生扑翼飞行器：风洞实验：气动特性：翼型设计：雷诺数 分类号TP242.6 Research progress on the wind tunnel experiment of a bionic flapping-wing aerial vehicle FU Qiang2),ZHANG Xiang 2,ZHAO Min2),ZHANG Chun-hua,HE We 1)School of Automation and Electrical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute of Artificial Intelligence,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Automation Research Institute Co.,Ltd.,China South Industries Group Corporation,Mianyang 621000,China Corresponding author,E-mail:weihe@ieee.org ABSTRACT "Flapping wing"is a mechanism observed in the flight of birds,insects,and bats.The lift and thrust for a flight are generated by the active movement of wings.It was first specifically designed by Da Vinci.With good concealment and maneuverability advantages,the bionic flapping wing has become the hotspot in the field of aerial vehicles at home and abroad in recent years.Due to its high degree of bionic appearance and ultra-low flight noise,the bionic flapping-wing aerial vehicle has important applications in the military and civilian fields.Because of a low Reynolds number,unsteady aerodynamics,and other issues,such as flexible deformation of the wing and so on,the study of a bionic flapping-wing aerial vehicle is quite different from that of a conventional fixed-wing aerial vehicle.The three methods used in the study of a flapping-wing aerial vehicle are aerodynamic calculations,wind tunnel experiments, and outside flight tests.In terms of aerodynamic calculation,the theory and method of an unsteady aerodynamic design and optimization are still inadequate at present.The outside flight test cannot accurately measure the complex aerodynamic force of the aerial vehicle and 收稿日期：2021-04-30 基金项目：装备预研教育部联合基金资助项目(6141A02033339):北京科技大学青年教师学科交叉研究资助项目(FRF-DRY-19-010):国家 自然科学基金资助项目(61803025.62073031)
仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展 付 强1,2)，张 祥1,2)，赵 民1,2)，张春华3)，贺 威1,2) 苣 1) 北京科技大学自动化学院，北京 100083 2) 北京科技大学人工智能研究院，北京 100083 3) 中国兵器装备集团自动化研究所有限公 司，绵阳 621000 苣通信作者， E-mail: weihe@ieee.org 摘 要 仿生扑翼飞行器的设计灵感来源于自然界中的鸟类、昆虫和蝙蝠的飞行模式，通过机翼的主动运动来产生飞行所需 要的升力和推力. 仿生扑翼飞行器具有隐蔽性好、机动性强等优点，成为近年来国内外飞行器研究的重点. 但是仿生扑翼飞 行器研究涉及到低雷诺数、非定常空气动力学等问题，与常规固定翼飞行器有很大的不同. 仿生扑翼飞行器的研究方法一般 分三种：气动计算、风洞实验和外场试飞. 气动计算方面，非定常气动设计优化理论与方法目前仍存在不足；外场试飞的方法 无法精确测量出飞行器复杂的气动力，难以对飞行器进行定量分析研究；风洞实验由于可以模拟飞行时的真实情况，获得的 数据较为真实可靠，且可以定量分析研究，成为目前研究仿生扑翼飞行器非常有效的方法. 国内外研究人员利用风洞进行了 大量针对仿生扑翼飞行器的实验研究. 在介绍了风洞组成和分类的基础上，详细阐述了仿鸟和仿昆虫扑翼飞行器风洞实验 的研究现状，最后对仿生扑翼飞行器风洞实验未来可能的研究方向给出了建议. 关键词 仿生扑翼飞行器；风洞实验；气动特性；翼型设计；雷诺数 分类号 TP242.6 Research progress on the wind tunnel experiment of a bionic flapping-wing aerial vehicle FU Qiang1,2) ，ZHANG Xiang1,2) ，ZHAO Min1,2) ，ZHANG Chun-hua3) ，HE Wei1,2) 苣 1) School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Institute of Artificial Intelligence, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Automation Research Institute Co., Ltd., China South Industries Group Corporation, Mianyang 621000, China 苣 Corresponding author, E-mail: weihe@ieee.org ABSTRACT “Flapping wing” is a mechanism observed in the flight of birds, insects, and bats. The lift and thrust for a flight are generated by the active movement of wings. It was first specifically designed by Da Vinci. With good concealment and maneuverability advantages, the bionic flapping wing has become the hotspot in the field of aerial vehicles at home and abroad in recent years. Due to its high degree of bionic appearance and ultra-low flight noise, the bionic flapping-wing aerial vehicle has important applications in the military and civilian fields. Because of a low Reynolds number, unsteady aerodynamics, and other issues, such as flexible deformation of the wing and so on, the study of a bionic flapping-wing aerial vehicle is quite different from that of a conventional fixed-wing aerial vehicle. The three methods used in the study of a flapping-wing aerial vehicle are aerodynamic calculations, wind tunnel experiments, and outside flight tests. In terms of aerodynamic calculation, the theory and method of an unsteady aerodynamic design and optimization are still inadequate at present. The outside flight test cannot accurately measure the complex aerodynamic force of the aerial vehicle and 收稿日期: 2021−04−30 基金项目: 装备预研教育部联合基金资助项目（6141A02033339）；北京科技大学青年教师学科交叉研究资助项目（FRF-IDRY-19-010）；国家 自然科学基金资助项目（61803025，62073031） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−13，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−13, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.30.004; http://cje.ustb.edu.cn
工程科学学报，第44卷，第X期 cannot conduct quantitative analysis as well as research on the aerial vehicle.As the wind tunnel experiment can simulate a real flight. the data obtained is more reliable,can be analyzed,and studied quantitatively.Therefore,the wind tunnel experiment has become an effective method to study a flapping-wing aerial vehicle.Researchers at home and abroad have conducted several experimental studies on a bionic flapping-wing aerial vehicle using a wind tunnel.This paper first introduced the composition and classification of a wind tunnel and then introduced the research status of the wind tunnel experiment,covering the bird-like and insect-like flapping-wing aerial vehicles in detail.Finally,this paper provided suggestions on the possible research directions to the wind tunnel experiment of the bionic flapping-wing aerial vehicle,such as research on how the multi-wing and the feather structure of the wings affect the performance of the bionic flapping-wing aerial vehicle. KEY WORDS bionic flapping-wing aerial vehicle;wind tunnel experiment;aerodynamic characteristics;airfoil design;Reynolds number 仿生扑翼飞行器是以鸟类或昆虫等为原型设 并可以度量气流对实体的作用效果、观察物理现 计的飞行器，其飞行方式与鸟类或昆虫类似，能仅 象.随着现代工业的发展，风洞展示出越来越重要 仅通过机翼扑动来产生飞行所需的升力和推力， 的地位，不只是在飞行器的研究方面，在建筑、风 具有较好的运动敏捷性和较高的能量利用效率四， 能等研究方面也有重要的应用 在国防军事和民用领域有广泛的应用前景.仿生 风洞一般由洞体、驱动系统和测量控制系统 扑翼飞行器所处流场的雷诺数范围一般在2000~ 组成.早期的风洞一般采用开口式结构，洞体也较 100000之间，在这一范围的气体流动中层流起主 为简单，仅包括加速气流用的收缩段、放置飞行器 要作用，使得飞行器除产生较大的升力和力矩外， 的试验段和风机段三部分，且由于当时主要采用 还会产生较大的空气阻力，其升阻比不到普通飞 机械式力平衡装置进行测力，只能将飞行器固定 机的1/3四而且随着机翼的扑动，周围流场属非定 在测力装置上进行升阻力测试，这就需要通过改 常流动，故用传统的空气动力学方法很难做出准 变风洞结构来改变飞行器迎角、来流速度等参数， 确解释.为了提高仿生扑翼飞行器设计的精细化 如1922年奥地利科学家Katzmayr通过调节在风 程度，需要研究环境风速、扑动频率、翼型、迎角 洞口处设置的挡板来模拟机翼的周期性变化， 等对仿生扑翼飞行器气动性能的影响，为飞行器 1968年英国生物学家Pennycuick通过调节试验 整体设计提供参考。仿生扑翼飞行器研究方法一 段洞口的朝向来改变飞行器迎流角度.但随着对 般有气动计算、风洞实验和外场试飞三种方法) 实验精度要求的提高，洞体结构变得越来越复杂， 气动计算方法虽然应用广泛，但对于处理数值分 为了减小外界气流对试验段气流的干扰，洞体试 析所必需的建模和仿真是一项巨大的挑战，在涉 验段由开口式改为了闭口式；为了提高气流均匀 及流固耦合时更加明显，且仿生扑翼飞行器运动 度，并降低气流湍流度，增加了稳定段并在稳定段 机理复杂，变量多且耦合性强，目前还没有精确且 内部增加了金属防风网.现在的风洞洞体一般由 适用的计算模型：外场试飞的方法无法精确测量 稳定段、收缩段、试验段和扩散段组成，如图1所 出飞行器复杂的气动力；风洞实验可以在完全相 示为北京科技大学的开口回流式低速风洞结构示 同或者大体相同的条件下，对所研究的问题进行 意图，其中稳定段和收缩段起到提高气流均匀度 模拟与观测，因此所得数据比较真实、可靠.所以 和加速气流的作用：试验段是对模型进行观察和 对仿生扑翼飞行器进行风洞实验是非常必要的， 测量的部位；一些风洞的扩散段分为第一和第二 1仿生扑翼飞行器专用风洞 扩散段，第一扩散段起到降低流速、减少能量损失 的作用，第二扩散段可将气体引向风洞外或者引 1.1风洞 回到风洞入口处. 风洞即指风洞实验室，是可以人为产生并控 风洞的驱动系统一般分两类，一类是由可控 制气体流动的实验装置，它可以实时模拟飞行器 电机组和由它带动的风扇或轴流式压缩机组成： 飞行时周围气体的流动，目前已被认为是一种飞 另一类是用小功率的压气机事先将空气增压贮存 行器设计、制造的重要实验方法.研究人员可以 在贮气罐中，或用真空泵把与风洞出口管道相连 在风洞内进行包括飞行试验、强度试验在内的多 的真空罐抽真空，实验时快速开启阀门，使高压空 种实验，用来验证新机型或者设计方案的合理性， 气直接或间接进入洞体.第一类驱动系统运转周
cannot conduct quantitative analysis as well as research on the aerial vehicle. As the wind tunnel experiment can simulate a real flight, the data obtained is more reliable, can be analyzed, and studied quantitatively. Therefore, the wind tunnel experiment has become an effective method to study a flapping-wing aerial vehicle. Researchers at home and abroad have conducted several experimental studies on a bionic flapping-wing aerial vehicle using a wind tunnel. This paper first introduced the composition and classification of a wind tunnel and then introduced the research status of the wind tunnel experiment, covering the bird-like and insect-like flapping-wing aerial vehicles in detail. Finally, this paper provided suggestions on the possible research directions to the wind tunnel experiment of the bionic flapping-wing aerial vehicle, such as research on how the multi-wing and the feather structure of the wings affect the performance of the bionic flapping-wing aerial vehicle. KEY WORDS bionic flapping-wing aerial vehicle； wind tunnel experiment； aerodynamic characteristics； airfoil design； Reynolds number 仿生扑翼飞行器是以鸟类或昆虫等为原型设 计的飞行器，其飞行方式与鸟类或昆虫类似，能仅 仅通过机翼扑动来产生飞行所需的升力和推力， 具有较好的运动敏捷性和较高的能量利用效率[1] ， 在国防军事和民用领域有广泛的应用前景. 仿生 扑翼飞行器所处流场的雷诺数范围一般在 2000～ 100000 之间，在这一范围的气体流动中层流起主 要作用，使得飞行器除产生较大的升力和力矩外， 还会产生较大的空气阻力，其升阻比不到普通飞 机的 1/3[2] . 而且随着机翼的扑动，周围流场属非定 常流动，故用传统的空气动力学方法很难做出准 确解释. 为了提高仿生扑翼飞行器设计的精细化 程度，需要研究环境风速、扑动频率、翼型、迎角 等对仿生扑翼飞行器气动性能的影响，为飞行器 整体设计提供参考. 仿生扑翼飞行器研究方法一 般有气动计算、风洞实验和外场试飞三种方法[3] . 气动计算方法虽然应用广泛，但对于处理数值分 析所必需的建模和仿真是一项巨大的挑战，在涉 及流固耦合时更加明显，且仿生扑翼飞行器运动 机理复杂，变量多且耦合性强，目前还没有精确且 适用的计算模型；外场试飞的方法无法精确测量 出飞行器复杂的气动力；风洞实验可以在完全相 同或者大体相同的条件下，对所研究的问题进行 模拟与观测，因此所得数据比较真实、可靠. 所以 对仿生扑翼飞行器进行风洞实验是非常必要的. 1 仿生扑翼飞行器专用风洞 1.1 风洞 风洞即指风洞实验室，是可以人为产生并控 制气体流动的实验装置，它可以实时模拟飞行器 飞行时周围气体的流动，目前已被认为是一种飞 行器设计、制造的重要实验方法. 研究人员可以 在风洞内进行包括飞行试验、强度试验在内的多 种实验，用来验证新机型或者设计方案的合理性， 并可以度量气流对实体的作用效果、观察物理现 象. 随着现代工业的发展，风洞展示出越来越重要 的地位，不只是在飞行器的研究方面，在建筑、风 能等研究方面也有重要的应用. 风洞一般由洞体、驱动系统和测量控制系统 组成. 早期的风洞一般采用开口式结构，洞体也较 为简单，仅包括加速气流用的收缩段、放置飞行器 的试验段和风机段三部分，且由于当时主要采用 机械式力平衡装置进行测力，只能将飞行器固定 在测力装置上进行升阻力测试，这就需要通过改 变风洞结构来改变飞行器迎角、来流速度等参数， 如 1922 年奥地利科学家 Katzmayr[4] 通过调节在风 洞口处设置的挡板来模拟机翼的周期性变化 ， 1968 年英国生物学家 Pennycuick[5] 通过调节试验 段洞口的朝向来改变飞行器迎流角度. 但随着对 实验精度要求的提高，洞体结构变得越来越复杂， 为了减小外界气流对试验段气流的干扰，洞体试 验段由开口式改为了闭口式；为了提高气流均匀 度，并降低气流湍流度，增加了稳定段并在稳定段 内部增加了金属防风网. 现在的风洞洞体一般由 稳定段、收缩段、试验段和扩散段组成，如图 1 所 示为北京科技大学的开口回流式低速风洞结构示 意图，其中稳定段和收缩段起到提高气流均匀度 和加速气流的作用；试验段是对模型进行观察和 测量的部位；一些风洞的扩散段分为第一和第二 扩散段，第一扩散段起到降低流速、减少能量损失 的作用，第二扩散段可将气体引向风洞外或者引 回到风洞入口处. 风洞的驱动系统一般分两类，一类是由可控 电机组和由它带动的风扇或轴流式压缩机组成； 另一类是用小功率的压气机事先将空气增压贮存 在贮气罐中，或用真空泵把与风洞出口管道相连 的真空罐抽真空，实验时快速开启阀门，使高压空 气直接或间接进入洞体. 第一类驱动系统运转周 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
付强等：仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展 3 The third comer section The second corner section Diffuser The first corner section →Stability section Test section← Contraction section The fourth corner section 图1开口回流式低速风洞结构示意图 Fig.I Wind tunnel structure of a flapping-wing aerial vehicle 期长，且气体流速的增大会使驱动功率急剧增大， 所以多用于低速风洞.第二类驱动系统的工作时 间一般是几秒到几十秒不等，且雷诺数较高，多用 于跨声速、超声速和高超声速风洞. 风洞测量控制系统的作用是按预定的实验程 序，控制各种阀门、活动部件、模型状态和仪器仪 表，并通过天平、压力和温度等传感器，测量气流 图2北京科技大学微型飞行器专用风洞 参量、模型状态和有关的物理量.随着现代计算 Fig.2 Special wind tunnel for a microair vehicle of University of 机技术的发展，风洞测量控制系统已经由原来的 Science and Technology Beijing 人工测量和记录，发展为现在采用电子液压的测 13风洞配套实验装置 控系统，其实时性和准确度都有了质的飞跃 仿生扑翼飞行器与固定翼很大的不同在于， 基本上所有的风洞都是由以上三部分组成， 其在飞行过程中翅膀做周期性上下扑动.在自然 但是不同用途的风洞在这三个方面又不尽相同. 界中，不同体型的鸟类或昆虫，其扑翼频率相差很 固定翼飞行器一般飞行速度比较快，所需风洞中 大，气动特性表现也大不相同，所以在风洞实验中 的气体流速比较高，一般采用第二类驱动系统：而 对扑翼频率进行控制非常必要.目前常用的频率 旋翼飞行器则由于其螺旋桨方向的问题，专用风 测试方法是采用漫反射光电传感器，其基本原理 洞一般采用自下向上吹风的方式；仿生扑翼飞行 基于光电效应，即在光照射在某种物质上时，该物 器专用风洞一般要求流场速度较低，但对流场品 质的电子吸收光子的能量而产生相应的光电效 质要求较高.旋翼和仿生扑翼飞行器专用风洞多 应.这种传感器的一大优点是可在不接触飞行器 采用第一类驱动系统 的前提下，测量到仿生扑翼飞行器的扑翼频率 1.2仿生扑翼飞行器专用风洞 如图3所示为欧姆龙VTE-18-4N4212漫反射光电 仿生扑翼飞行器专用风洞根据试验段是否开 开关. 放，可分为开口式和闭口式两种，开口式风洞试验 段开放，洞壁干扰较小，但易受外界气流扰动，需 要将操作间和实验间隔开，以减少外界气流对试 验段气流的影响.根据扩散段是否将气流引回风 洞入口处又可分为回流式和直流式风洞.如图2 所示为北京科技大学开口回流式低速风洞，该风 洞全长37，采用开口回流式结构，具备较低的稳 定风速和较好的流场品质，可以满足对微型仿生 扑翼飞行器的气动特性进行研究的要求.该风洞 的主要参数如下：试验段口径为0.63m×0.63m:试 验段长为0.7m;可控风速范围为0.5~20ms;在 图3欧姆龙VTE-18-4N4212漫反射光电开关 常用风速范围内(1~20ms),流速稳定性系数 Fig.3 OMRON VTE-18-4N4212 diffuse reflection photoelectric ≤0.5%：试验段气流偏角≤1°：试验段紊流度≤1%. switch
期长，且气体流速的增大会使驱动功率急剧增大， 所以多用于低速风洞. 第二类驱动系统的工作时 间一般是几秒到几十秒不等，且雷诺数较高，多用 于跨声速、超声速和高超声速风洞. 风洞测量控制系统的作用是按预定的实验程 序，控制各种阀门、活动部件、模型状态和仪器仪 表，并通过天平、压力和温度等传感器，测量气流 参量、模型状态和有关的物理量. 随着现代计算 机技术的发展，风洞测量控制系统已经由原来的 人工测量和记录，发展为现在采用电子液压的测 控系统，其实时性和准确度都有了质的飞跃. 基本上所有的风洞都是由以上三部分组成， 但是不同用途的风洞在这三个方面又不尽相同. 固定翼飞行器一般飞行速度比较快，所需风洞中 的气体流速比较高，一般采用第二类驱动系统；而 旋翼飞行器则由于其螺旋桨方向的问题，专用风 洞一般采用自下向上吹风的方式；仿生扑翼飞行 器专用风洞一般要求流场速度较低，但对流场品 质要求较高. 旋翼和仿生扑翼飞行器专用风洞多 采用第一类驱动系统. 1.2 仿生扑翼飞行器专用风洞 仿生扑翼飞行器专用风洞根据试验段是否开 放，可分为开口式和闭口式两种，开口式风洞试验 段开放，洞壁干扰较小，但易受外界气流扰动，需 要将操作间和实验间隔开，以减少外界气流对试 验段气流的影响. 根据扩散段是否将气流引回风 洞入口处又可分为回流式和直流式风洞. 如图 2 所示为北京科技大学开口回流式低速风洞，该风 洞全长 37 m，采用开口回流式结构，具备较低的稳 定风速和较好的流场品质，可以满足对微型仿生 扑翼飞行器的气动特性进行研究的要求. 该风洞 的主要参数如下：试验段口径为 0.63 m×0.63 m；试 验段长为 0.7 m；可控风速范围为 0.5～20 m·s−1；在 常用风速范围内（1～20 m·s−1），流速稳定性系数 ≤0.5%；试验段气流偏角≤1°；试验段紊流度≤1%. 图 2 北京科技大学微型飞行器专用风洞 Fig.2 Special wind tunnel for a microair vehicle of University of Science and Technology Beijing 1.3 风洞配套实验装置 仿生扑翼飞行器与固定翼很大的不同在于， 其在飞行过程中翅膀做周期性上下扑动. 在自然 界中，不同体型的鸟类或昆虫，其扑翼频率相差很 大，气动特性表现也大不相同，所以在风洞实验中 对扑翼频率进行控制非常必要. 目前常用的频率 测试方法是采用漫反射光电传感器，其基本原理 基于光电效应，即在光照射在某种物质上时，该物 质的电子吸收光子的能量而产生相应的光电效 应. 这种传感器的一大优点是可在不接触飞行器 的前提下，测量到仿生扑翼飞行器的扑翼频率. 如图 3 所示为欧姆龙 VTE−18−4N4212 漫反射光电 开关. 图 3 欧姆龙 VTE−18−4N4212 漫反射光电开关 Fig.3 OMRON VTE−18−4N4212 diffuse reflection photoelectric switch The third corner section The second corner section Diffuser The first corner section Stability section Test section Contraction section The fourth corner section 图 1 开口回流式低速风洞结构示意图 Fig.1 Wind tunnel structure of a flapping-wing aerial vehicle 付 强等： 仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 为了测量全流场实时速度信息，在风洞实验中 三分量应变天平，二分量即指升力和阻力测量，三 -般会采用PIV(Particle Image velocity measurement) 分量增加了俯仰力矩.除此之外，还有六分量应变 系统，该系统通过在流场中布撒示踪粒子，并采用 天平，包括升力、推力、侧向力、滚转力矩、偏航 脉冲激光片光源射入到该流场中，通过多次曝光， 力矩和俯仰力矩.仿生扑翼飞行器的气动力一般 得到粒子图像，之后通过对图像进行分析处理，得 很小，最大能达到几百克，且会随着翅膀的周期性 到流场速度分布图.该系统相较于皮托管测速，拥 扑动做周期性变化，这就要求仿生扑翼飞行器专 有诸多优点.首先皮托管测速采用接触式测量方 用测力装置有较好的量程精度且对气动力具有较 法，其本身会对流场有一定干扰，其次皮托管只能 好的动态响应.针对微型仿生扑翼飞行器，现多采 对流场进行单点测量：而PIV采用非接触式测量 用美国ATI公司(ATI industrial automation)的nanol7 方法，不会对流场造成影响，且其可对全流场进行 系列六自由度传感器，如图6即为ATI公司的 瞬态三维测量.如图4所示为数字式粒子图像测 nanol'7力传感器，该传感器具有体积小、精度高， 速系统 响应速度快和质量轻等优点，使用时只需根据自 己实验所需，做一些简单的支撑件设计即可 图4数字式粒子图像测速系统 Fig.4 Digital particle image velocimetry system 图6 ATI nanol7 仿生扑翼飞行器在进行风洞实验时，其翅膀 Fig.6 ATI nano17 会进行上下扑动，为了在不干扰流场的情况下测 为了更直观地观察流场绕模型的流动现象， 量飞行器翅膀在飞行过程中的柔性形变，一般采 需要对风洞中的流场进行可视化.流场可视化方 用DIC(Digital image correlation)系统.该系统采用 法包括实验显示方法和数值显示方法，实验显示 两个摄像头，形成双目立体视觉来观察翼膜随迎 方法是通过实验手段，把观察不到或不易观察到 角和流速等变化产生的形变量，是一种非接触式 的流动现象进行显示，主要包括丝线法、烟线法和 的光学测量方法6刀.如图5为DIC系统在实验中 染色线法等方法：数值显示方法是通过计算然后 的应用 用计算机图像进行可视化.上面讲到的PV系统 测量得到的全流场三维瞬态速度图，经过计算机 处理后，即可作为数值显示方法用在风洞流场显 示实验中.目前在清华大学、北京航空航天大学 等学校的风洞实验中采用的方法都是烟线法.通 常的做法是，使用一个由阀门控制的滴油系统，不 断将不易燃的矿物油滴到金属丝上，然后给金属 丝通电加热，油由于加热而产生烟雾，烟雾可以直 观显示气流绕模型的流动状态.图7即为烟流法 图5DIC系统 下显示的流场 Fig.5 Digital image correlation 2 国内外仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展 除高速摄像机外，往往还需要与飞行器专用 风洞相配套的升阻力测试装置，1871年英国建造 国外在仿生扑翼飞行器的研究方面起步较早 世界上第一台风洞的时候，就为其风洞配置了测 在仿鸟扑翼飞行器的研究方面，2011年，德国 量升力和阻力的天平图随着技术的发展，目前应 Festo公司研制的SmartBird,采用双段翼，翅膀采 变天平、磁悬挂天平、压电天平越来越多地被应 用碳纤维做支撑，翼膜为聚氨酯泡沫蒙皮，空气动 用于升阻力测量中例目前经常使用的有二分量和 力效率高达80%0，在一定程度上验证了双段翼
为了测量全流场实时速度信息，在风洞实验中 一般会采用 PIV（Particle Image velocity measurement） 系统，该系统通过在流场中布撒示踪粒子，并采用 脉冲激光片光源射入到该流场中，通过多次曝光， 得到粒子图像，之后通过对图像进行分析处理，得 到流场速度分布图. 该系统相较于皮托管测速，拥 有诸多优点. 首先皮托管测速采用接触式测量方 法，其本身会对流场有一定干扰，其次皮托管只能 对流场进行单点测量；而 PIV 采用非接触式测量 方法，不会对流场造成影响，且其可对全流场进行 瞬态三维测量. 如图 4 所示为数字式粒子图像测 速系统. 图 4 数字式粒子图像测速系统 Fig.4 Digital particle image velocimetry system 仿生扑翼飞行器在进行风洞实验时，其翅膀 会进行上下扑动，为了在不干扰流场的情况下测 量飞行器翅膀在飞行过程中的柔性形变，一般采 用 DIC（Digital image correlation）系统. 该系统采用 两个摄像头，形成双目立体视觉来观察翼膜随迎 角和流速等变化产生的形变量，是一种非接触式 的光学测量方法[6−7] . 如图 5 为 DIC 系统在实验中 的应用. 图 5 DIC 系统[6] Fig.5 Digital image correlation[6] 除高速摄像机外，往往还需要与飞行器专用 风洞相配套的升阻力测试装置，1871 年英国建造 世界上第一台风洞的时候，就为其风洞配置了测 量升力和阻力的天平[8] . 随着技术的发展，目前应 变天平、磁悬挂天平、压电天平越来越多地被应 用于升阻力测量中[9] . 目前经常使用的有二分量和 三分量应变天平，二分量即指升力和阻力测量，三 分量增加了俯仰力矩. 除此之外，还有六分量应变 天平，包括升力、推力、侧向力、滚转力矩、偏航 力矩和俯仰力矩. 仿生扑翼飞行器的气动力一般 很小，最大能达到几百克，且会随着翅膀的周期性 扑动做周期性变化，这就要求仿生扑翼飞行器专 用测力装置有较好的量程精度且对气动力具有较 好的动态响应. 针对微型仿生扑翼飞行器，现多采 用美国 ATI 公司（ATI industrial automation）的 nano17 系列六自由度传感器 ，如 图 6 即 为 ATI 公 司 的 nano17 力传感器，该传感器具有体积小、精度高， 响应速度快和质量轻等优点，使用时只需根据自 己实验所需，做一些简单的支撑件设计即可. 图 6 ATI nano17 Fig.6 ATI nano17 为了更直观地观察流场绕模型的流动现象， 需要对风洞中的流场进行可视化. 流场可视化方 法包括实验显示方法和数值显示方法，实验显示 方法是通过实验手段，把观察不到或不易观察到 的流动现象进行显示，主要包括丝线法、烟线法和 染色线法等方法；数值显示方法是通过计算然后 用计算机图像进行可视化. 上面讲到的 PIV 系统 测量得到的全流场三维瞬态速度图，经过计算机 处理后，即可作为数值显示方法用在风洞流场显 示实验中. 目前在清华大学、北京航空航天大学 等学校的风洞实验中采用的方法都是烟线法. 通 常的做法是，使用一个由阀门控制的滴油系统，不 断将不易燃的矿物油滴到金属丝上，然后给金属 丝通电加热，油由于加热而产生烟雾，烟雾可以直 观显示气流绕模型的流动状态. 图 7 即为烟流法 下显示的流场. 2 国内外仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展 国外在仿生扑翼飞行器的研究方面起步较早. 在仿鸟扑翼飞行器的研究方面 ， 2011 年 ，德国 Festo 公司研制的 SmartBird，采用双段翼，翅膀采 用碳纤维做支撑，翼膜为聚氨酯泡沫蒙皮，空气动 力效率高达 80% [10] ，在一定程度上验证了双段翼 · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期