一种新型扑翼推进装置及工作过程
阅读说明：本技术 一种新型扑翼推进装置及工作过程 (Novel flapping wing propulsion device and working process ) 是由 李永成 陈纪军 潘子英 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：一种新型扑翼推进装置及工作过程,包括扑翼主体,所述扑翼主体的尾缘处铰接有一对尾封板,扑翼主体的尾部上表面和下表面分别设置有一个台阶,并形成台阶面,尾封板与台阶面之间安装有多个收缩杆,收缩杆的动作控制尾封板的打开与关闭。该尾封板可根据扑翼的运动位置进行自适应调节,尾封板的存在一方面使得扑翼上下表面的压力差大幅增加,对应的升力亦得以明显增大,由于扑翼在运动过程中存在水平方向的攻角,因此垂直方向增加的升力在水平方向的分力亦得以增大,因此扑翼的推进特性有所改善；另一方面,尾封板的存在使得扑翼周围及尾部的流场特性得以改善,扑翼尾缘的流动分离得以逐步减缓,能量耗散有所降低,系统输入功率得以大幅降低。(The utility model provides a novel flapping wing propulsion device and working process, includes the flapping wing main part, the trailing edge department of flapping wing main part articulates there is a pair of tail shrouding, and the afterbody upper surface and the lower surface of flapping wing main part are provided with a step respectively to form the step face, install a plurality of shrink poles between tail shrouding and the step face, the action control tail shrouding of shrink pole opens and closes. The tail sealing plate can be adjusted in a self-adaptive mode according to the movement position of the flapping wing, on one hand, the pressure difference between the upper surface and the lower surface of the flapping wing is greatly increased, the corresponding lift force is also obviously increased, and as the flapping wing has an attack angle in the horizontal direction in the movement process, the component force of the lift force increased in the vertical direction in the horizontal direction is also increased, so that the propulsion characteristic of the flapping wing is improved; on the other hand, the existence of the tail sealing plate improves the flow field characteristics around the flapping wings and at the tail part, the flow separation at the tail edge of the flapping wings is gradually slowed down, the energy dissipation is reduced, and the input power of the system is greatly reduced.)
技术领域
本发明涉及推进装备技术领域，尤其是一种新型扑翼推进装置及工作过程。
背景技术
扑翼推进是一种有别于传统旋转机械(螺旋桨、涡轮发动机)和喷气推进的又一种推进方法。
随着近年来微型飞行器和水下机器人研究的兴起，这种推进方式显示出越来越多的优势。这主要是由于在低雷诺数下，传统螺旋桨推进的效率较低，而这种扑动式非定常运动不仅能够实现固定翼无法达到的高升力，而且其推进效率相比传统方式也具有一定的优越性。天空飞行的鸟类和水下游动的鱼类都是采用这类非定常运动方式实现推进的，也正是这些生物卓越的飞行能力和游动能力启发了人们对扑动推进的研究兴趣。
传统的振荡翼推进方式主要是由垂直方向的升沉运动和绕着自身旋转轴的俯仰运动组成，基于上述传统运动方式的振荡翼在最优运动参数组合工况下也仅仅可获得最高60％左右的推进效率，目前已无更高的优化空间。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种新型扑翼推进装置及工作过程，从而通过在扑翼尾部布置一对尾封板来提升扑翼的流体动力性能，且该尾封板可根据扑翼的运动过程进行自适应变化，该新型扑翼推进装置较之传统扑翼推进装置可大幅提升其推进性能，大大提高振荡翼的推进效率，从而更好地发挥振荡翼的助推作用。
本发明所采用的技术方案如下：
一种新型扑翼推进装置，包括扑翼主体，所述扑翼主体的尾缘处铰接有一对尾封板，所述扑翼主体的尾部上表面和下表面分别设置有一个台阶，并形成台阶面，所述尾封板与台阶面之间安装有多个收缩杆，收缩杆的动作控制尾封板的打开与关闭。
其进一步技术方案在于：
所述扑翼主体采用NACA0012剖面翼型，展弦比为3.0。
所述尾封板的长度与扑翼主体的展长相等。
所述尾封板的高度与扑翼主体的最大厚度相等。
尾封板打开时，尾封板垂直于台阶面；尾封板关闭时，在台阶面表面，并与扑翼主体的外形吻合。
一种新型扑翼推进装置的工作工程，包括如下操作步骤：
当扑翼主体处于初始位置时：
扑翼主体表面的尾封板处于闭合状态，尾封板位于台阶面中；
当扑翼主体向下开始运动时：
扑翼主体上表面的尾封板在收缩杆的控制下开展打开且保证垂直于扑翼主体的上表面；
当扑翼主体运动至垂直方向最低位置后：
扑翼主体上表面的尾封板在收缩杆作用下收缩至扑翼主体上表面的台阶面内，此时扑翼表面再次保持光滑；
当扑翼主体由下向上运动时：
扑翼主体下表面的尾封板开始打开并且同样垂直于扑翼下表面；随着扑翼主体的继续向上运动，当扑翼主体位于垂直方向最高处时，即扑翼主体的初始位置，扑翼主体下表面的尾封板开始收缩至下表面的台阶面内部；
至此，一个运动周期的运动已完成；
后续的运动以此类推。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过新增一对尾封板，且该尾封板可根据扑翼的运动位置进行自适应调节(关闭或打开)，尾封板的存在一方面使得扑翼上下表面的压力差大幅增加，对应的升力亦得以明显增大，由于扑翼在运动过程中存在水平方向的攻角，因此垂直方向增加的升力在水平方向的分力(即推力)亦得以增大，因此扑翼的推进特性有所改善；另一方面，尾封板的存在使得扑翼周围及尾部的流场特性得以改善，扑翼尾缘的流动分离得以逐步减缓，能量耗散有所降低，系统输入功率得以大幅降低。数值计算结果表明，新型扑翼推进装置较传统扑翼推进装置最大推进效率提升了20％以上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明另一视角的结构示意图。
图3为图1中F部的局部放大图。
图4为本发明的主视图。
图5为图4中G部的局部放大图。
图6为本发明的工作过程图(前半运动周期)。
图7为本发明的工作过程图(后半运动周期)。
图8为本发明的整个运动过程图。
其中：1、扑翼主体；2、尾封板；3、收缩杆；4、台阶面。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图8所示，本实施例的新型扑翼推进装置，包括扑翼主体1，扑翼主体1的尾缘处铰接有一对尾封板2，扑翼主体1的尾部上表面和下表面分别设置有一个台阶，并形成台阶面4，尾封板2与台阶面4之间安装有多个收缩杆3，收缩杆3的动作控制尾封板2的打开与关闭。
扑翼主体1采用NACA0012剖面翼型，展弦比为3.0。
尾封板2的长度与扑翼主体1的展长相等。
尾封板2的高度与扑翼主体1的最大厚度相等。
尾封板2打开时，尾封板2垂直于台阶面4；尾封板2关闭时，在台阶面4表面，并与扑翼主体1的外形吻合。
本实施例的新型扑翼推进装置的工作工程，包括如下操作步骤：
当扑翼主体1处于初始位置时：
扑翼主体1表面的尾封板2处于闭合状态，尾封板2位于台阶面4中；
当扑翼主体1向下开始运动时：
扑翼主体1上表面的尾封板2在收缩杆3的控制下开展打开且保证垂直于扑翼主体1的上表面；
当扑翼主体1运动至垂直方向最低位置后：
扑翼主体1上表面的尾封板2在收缩杆3作用下收缩至扑翼主体1上表面的台阶面4内，此时扑翼表面再次保持光滑；
当扑翼主体1由下向上运动时：
扑翼主体1下表面的尾封板2开始打开并且同样垂直于扑翼下表面；随着扑翼主体1的继续向上运动，当扑翼主体1位于垂直方向最高处时，即扑翼主体1的初始位置，扑翼主体1下表面的尾封板2开始收缩至下表面的台阶面4内部；
至此，一个运动周期的运动已完成；
后续的运动以此类推。
本发明的具体结构和功能如下：
主要分成扑翼主体1和尾封板2两个部分。
对于扑翼主体1，本发明中采用NACA0012剖面的机翼，展弦比为3.0。
对于尾封板2则设置有两个，分别布置于扑翼尾缘的上下表面。
尾封板2的长度与扑翼主体1的展长相等，尾封板2的高度与扑翼主体1的最大厚度相等。数值计算结果表明，当尾封板2高度与扑翼主体1的最大厚度相等时，其助推效果最为显著；尾封板2垂直于翼型上下表面且尾封板2的后缘与扑翼的尾缘保持一致，即尾封板2安装与扑翼的最后端。尾封板2与扑翼主体1表面之间铰接在一起，并且通过收缩杆3控制其收放。
本发明所述的收缩杆，主要用于控制尾封板的收缩，通常可以采用电动推杆。
本发明设计的新型扑翼推进装置，其尾缘的上下表面各布置了一个尾封板2，尾封板2的存在使得尾部流场分离得以延后，涡耗散能量亦有所降因此流体动力性能得以改善，相应的推进性能亦有所提升。此外，扑翼表面的尾封板可根据扑翼的运动位置进行自适应调节。具体而言，当扑翼向下运动时，扑翼上表面的尾封板处于打开状态，用于改善流场结构；下表面的尾封板则处于关闭状态且封装于预先设计好的凹槽内。该设计的好处在于翼型表面可保证平滑，从而减小扑翼系统的能量消耗。
本发明中扑翼主体1的运动方程由两个方向的运动组成。即垂直方向(y方向)的升沉运动和绕着自身旋转轴的俯仰运动(绕着z轴)。
具体方程分别为：h(t)＝h0·cos(2πft),其中h0和θ0分别为升沉运动幅值和俯仰运动幅值，f为运动频率。
本发明中取值为90°以获得较优的推进特性。
如图6、图7和图8，为本发明的运动过程图。
A表示扑翼位于初始位置，垂直方向上位移达到最大(y＝y0)，俯仰角度为0(θ＝0)，此时扑翼尾部的尾封板收缩至扑翼内部凹槽；
B表示扑翼位于平衡位置，垂直方向上位移为0(y＝0)，俯仰角度达到最大值(θ＝θ0)，此时扑翼上表面的尾封板处于打开状态；
C表示扑翼位于垂直方向最低处位置，垂直方向上位移为最小值(y＝-y0)，俯仰角度为0(θ＝0)，此时扑翼表面的尾封板再次收缩至扑翼表面凹槽内；
D表示扑翼位于平衡位置，垂直方向上位移为0(y＝0)，俯仰角度达到最小值(θ＝-θ0)，此时扑翼下表面的尾封板处于打开状态；
E表示扑翼重新回到平衡位置，垂直方向上上位移达到最大(y＝y0)，俯仰角度为0(θ＝0)，此时扑翼尾部的尾封板同样收缩至扑翼内部凹槽。
F表示扑翼主体部分，该主体剖面为NACA0012翼型，展弦比为3.0；
实际工作过程中：
当扑翼主体1处于初始位置时，扑翼主体1表面的尾封板2处于闭合状态，尾封板2位于预先设计好的台阶面4中，翼型表面保证光滑以减小能量消耗；
当扑翼主体1向下开始运动时，扑翼主体1上表面的尾封板2在收缩杆3的控制下开展打开且保证垂直于扑翼主体1上表面(图6中C位置处，y＝-y0)；
当扑翼主体1运动至垂直方向最低位置后，扑翼主体1上表面的尾封板2在收缩杆3作用下收缩至扑翼主体1上表面的台阶面4内，此时扑翼主体1的表面再次保持光滑，与传统扑翼相一致；
紧接着，当扑翼主体1由下向上运动时，扑翼主体1下表面的尾封板2开始打开并且同样垂直于扑翼主体1下表面。
随着扑翼主体1的继续向上运动，当扑翼主体1位于垂直方向最高处时(即扑翼初始位置)(图7中E号位置处，y＝y0)，扑翼主体1下表面的尾封板2开始收缩至扑翼主体1下表面的台阶面4内部。
至此，一个运动周期的运动已完成。
后续的运动以此类推。
通过尾封板2的周期性运动来提升扑翼的推进性能。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
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