Блог

Изучение полёта стрекозы и инженерные инновации

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Изучение полёта стрекозы и инженерные инновации

Кто не мечтал летать как птица? Начиная с эскизов летающих машин да Винчи до планеров Отто Лилиенталя, изобретатели стремились создать средство передвижения по воздуху. Сейчас мы воспринимаем путешествия на самолете как должное. Но механика полёта аппаратов меньшего размера – масштаба насекомых – совсем не так хорошо изучена. В последние годы возросла популярность летательных микроаппаратов (MAV - micro-air vehicle), которые находят применение в широком спектре задач  военного и транспортного характера, электронике и системах безопасности, поисково-спасательных операциях и видеосъемках, а также во многих других. Успешность опытных образцов зависит от сочетания в проекте эффективности и творческого подхода.

При разработке маломерных аппаратов с хлопающими крыльями человек, вполне естественно, пытается скопировать механизмы полета птиц и насекомых. В качестве образца для подражания,  пожалуй, не найти лучше летающего существа, чем стрекоза. Она – одно из самых маневренных насекомых на земле: может достигать скорости до 55 км/ч, делать полный оборот за микросекунды, летать боком, планировать, зависать в воздухе и даже летать задом. Многие инженеры, работающие в области физического моделирования, исследовали физику и основные уравнения полета стрекозы, чтобы попытаться реализовать её преимущества в своих летающих механизмах.

Сегодня с помощью бесплатной версии ANSYS Student вы имеете возможность самостоятельно изучить модель полета стрекозы, повторив шаг за шагом приведенный ниже расчёт.

 

Геометрическая модель в ANSYS SpaceClaim

 

Создание геометрической модели стрекозы является сложной задачей, так как поверхности корпуса и крыльев являются поверхностями двойной кривизны. ANSYS SpaceClaim позволяет легко импортировать и редактировать геометрию, а также создать необходимый для расчёта объём, соответствующий жидкой среде. В модели заданы две расчётные области: вокруг крыльев и вокруг корпуса. Внутренняя область вокруг крыльев позволяет настраивать размер ячеек в зоне маховых движений. Для уменьшения количества узлов сетки и времени расчёта, можно задать плоскость симметрии и моделировать только половину стрекозы.

 

Сетка в расчётной области и на поверхности стрекозы

 

В зоне вокруг крыльев желательно добиться хорошего качества сетки (максимальный коэффициент перекоса – skewness –не более 0,85), поскольку она будет перестраиваться в процессе расчёта, когда крылья придут в движение. Для создания сетки был использован модуль ANSYS Meshing и конечные элементы в форме тетраэдров. Внутренняя область разбита на ячейки фиксированного размера, также более мелкая сетка создана на поверхности корпуса, чтобы повысить точность расчёта вихревых течений. На первом шаге решения крылья отделены от тела слоем из трех-четырех ячеек, чтобы избежать проблем при создании сетки, на последующих шагах это расстояние может быть уменьшено до одной ячейки.

Кинематика крыла: многие исследователи изучали механизм зависания стрекозы в полете с помощью высокоскоростных камер, чтобы реалистично описать движение крыльев посредством математических уравнений. Кинематика качательного и махового движения передних крыльев заданы по уравнениям Азумы («Flight Mechanics of Dragonfly», Azuma и др). Крылья стрекозы движутся не синхронно: задние отстают от передних на 0,004 секунды. Для задания такого движения в ANSYS Fluent вам потребуется пользовательская функция (UDF – user-defined function).

Расчёт проведен в предположении, что стрекоза зависла в определенном месте над землей, а поток воздуха вокруг неё движется со скоростью 2 м/с. Для перемещающихся и деформируемых ячеек во Fluent идеально подходит динамическая сетка с упругой моделью деформации сетки (spring-based smoothing) и местным перестроением. Заданы пользовательские функции (UDF) для перемещения узлов сетки на поверхности крыльев, а также назначена пренебрежимо малая жесткость пружин для упругого деформирования сетки. В расчёте используется нестационарный решатель с алгоритмом установления (pressure-based solver). Шаг по времени задан равным 0,00002, чтобы гарантировать, что динамическое перестроение сетки будет работать должным образом и не создаст отрицательных объемов.

 

Полученное в расчёте распределение напряжений по поверхности стрекозы и воздушные вихри у крыльев

 

Основная цель данного упражнения заключается в изучении потоков вокруг крыльев и распределений давлений, возникающих из-за их движения. Если вы хотите выполнить какую-то дополнительную задачу самостоятельно, попытайтесь определить аэродинамическое качество (соотношение подъемной силы и лобового сопротивления), а после попробуйте изменить закон движения и форму крыльев, чтобы его повысить.

Таким образом, моделирование представляет собой быстрый способ оптимизировать сложную механику полета малогабаритных летательных аппаратов. Ниже представлено короткое видео с описанием разобранной модели. Надеюсь, вам понравилось это упражнение.

This video shows the simulation of flapping mechanism of Dragonfly insect using moving and deforming mesh under ANSYS Fluent.

Источник: http://www.ansys-blog.com/dragonfly-flapping-ansys/
Автор: Vishal Ganore

Понравился материал? Подпишитесь, чтобы быть в курсе событий

Facebook

Linkedin

Софт Инжиниринг Групп