A Novel Degree of Freedom in Flapping Wings Shows Promise for a Dual Aerial/Aquatic Vehicle Propulsor
对有害藻华等时间性很强的现象进行海洋采样，需要有一个能够快速空中旅行的飞行器，并配有一个获取现场测量结果的水生工具。具有这种能力的载具平台尚未被海洋学界广泛采用。几个动物的例子成功地使这种空中/水生过渡使用扑翼翼致动器，提供了一个可行的车辆设计的存在证明。我们讨论了一个扑翼驱动系统的初步实现，用于在空气和水。机翼采用主动的直线运动自由度，以产生在两种流体介质中推进所需的大的力包络。
2015-07-23 physics.flu-dyn
A study on aerodynamics and mechanisms of elementary morphing models for flapping wing in bat forward flight
大的主动翼变形是产生蝙蝠扑翼飞行所需的高气动力的重要途径。除扭转外，还提出了蝙蝠翅膀展向弯曲、弦向弯曲和展弦比变化等基本变形模型。用展弦比为3的平板模拟蝙蝠翼，用三维非定常面元法计算气动力。结果表明，拱度模型对升力的影响最大，面积变化模型次之，弯曲模型最小。进一步的研究表明，涡控制是产生高气动力的主要机制，而气动力增强的机制是弯曲机翼的非对称性以及展弦比变化和机翼弯曲的放大效应。整体变形模型翼的升力和推力主要产生在下冲程，而上冲程的力几乎可以忽略不计。
2014-03-27 physics.flu-dyn
How do flapping avian wings exhibit superior aerodynamic performance?
Lakehead University（湖首大学）
本研究采用自主求解器VorteXdyn，以隼启发的翼模型探究不同雷诺、斯特劳哈尔数下，翼几何保真度对拍动翼空气动力学性能与涡演化的影响，为仿生扑翼飞行器设计提供参考。
2026-09-09 physics.flu-dyn
Characterisation and extension of a rigid body dynamics solver coupled with OpenFOAM for flight performance analysis of flapping-wing drones
von Karman Institute for Fluid Dynamics（冯·卡门流体动力学研究所）；Ghent University（根特大学）；Universidad Carlos III de Madrid（马德里卡洛斯三世大学）
针对OpenFOAM耦合刚体动力学求解器用于扑翼无人机模拟的两大局限，该研究对其进行扩展验证，通过多自由度扑翼无人机上升飞行模拟明确了计算瓶颈并分析了机翼翼体相互作用。
2025-10-28 physics.flu-dyn
Three-dimensional and clap-and-fling effects on a pair of flapping wings used for thrust generation
本研究通过三维模拟揭示，采用展弦比8的平板翼可将拍合-挥击扑翼的周期平均效率损失限制在5.59%，且机翼接近性可缓解三维不利效应。
2025-07-10 physics.flu-dyn
Dragonflies Utilize Flapping Wings Phasing and Spanwise Characteristics to Achieve Aerodynamic Performance
虽然蜻蜓是高度敏捷的飞行者，但对它们飞行性能的一些关键空气动力学机制仍然没有充分的了解。基于前飞工况，研究了蜻蜓扑翼相位关系下展向气动特性。总的来说，前缘涡（LEV）在前翼上的形成没有后翼的影响。对于后翼，翼根区域显著地显示出后缘涡（TEV）。在内展区，当两机翼靠近并反向运动时，后翼周围的涡流结构受到前翼LEV的影响。在翼展中部，前翼后的下洗抑制了后翼上LEV的形成。最后，在一个冲程循环结束时，后翼的外展区域通过尾流捕获发展其LEV。在内部区域，前翅和后翅的脱落时间是同步的，而在其他地方则不是这样。这些不同的流动结构表明，前翼和后翼，沿其展向方向，在力的产生中发挥不同的作用。
2016-12-16 physics.flu-dyn
Phenomenology and scaling of optimal flapping wing kinematics
生物扑翼飞行器在广泛的飞行条件下有效而稳健地运行，是工程师灵感的重要来源。扑翼的非定常空气动力学主要由大尺度涡结构控制，这些涡结构增加了空气动力学性能，但对机翼驱动的微小变化很敏感。我们实验优化的俯仰角运动学的扑翼系统在悬停，以最大限度地提高中风的平均升力和悬停效率，使用进化算法和原位力和扭矩测量在翼根。进行额外的流场测量，以将涡流结构与气动性能联系起来，实现帕累托最优运动学。产生最大冲程平均升力系数的优化俯仰角剖面具有梯形形状和高平均迎角。这些运动学在循环的早期产生了强大的前缘涡流，这增强了机翼上的力的产生。最有效的俯仰角运动学类似于正弦演变，并且具有较低的平均迎角。前缘涡增长较慢，在整个冲程周期的大部分时间内，都保持与机翼的紧密结合。这需要更少的空气动力，并将悬停效率提高了93%，但牺牲了43%的最大升力。在所有情况下，前缘涡流都是由通过前缘剪切层的涡量产生的，这使得剪切层速度成为涡流增长及其对气动力影响的良好指标。我们估计剪切层速度在前缘仅从输入的运动学，并用它来缩放的平均值和时间分辨的环流和气动力的演变。
2020-10-15 physics.flu-dyn
Highly deformable flapping membrane wings suppress the leading edge vortex in hover to perform better
本研究发现高度可变形的蝙蝠状膜翼在悬停时通过保持正弯度抑制前缘涡形成，转而形成附体剪切层，从而在最优气动弹性条件下比刚性翼获得更高的升力和能量效率。
2024-11-13 physics.flu-dyn
Flapping Wings Amplify Pitch Stability: Insights from a Robotic Bird
Center for Fluid Mechanics, School of Engineering, Brown University（布朗大学工程学院流体力学中心）
通过风洞实验发现，提高扑翼频率可增强飞行器纵向静稳定性，甚至使不稳定飞行器稳定。研究揭示稳定性不仅取决于静稳度，还与斯特劳哈尔数有关，实验数据与准稳叶片元素模型吻合。
2026-04-25 physics.flu-dyn
On the unsteady aerodynamics of flapping wings under dynamic hovering kinematics
本文采用重叠网格与LES模拟Re~O(10^3)下刚性半椭圆翼的激进悬停扑动，揭示附加质量、尾流作用与LEV在不同阶段产生升力峰值的机制，并用扩展POD分离主导流动结构。
2024-08-06 physics.flu-dyn
Flying with Abrupt Wing Flapping: Damselfly in Darting Flight
豆娘的飞行动作突然而迅速，这让航空工程师们羡慕不已。这种惊人的能力既可以用来捕捉猎物，也可以被雄性用来建立吸引雌性的领地。在这项工作中，高分辨率，高速视频的豆娘（Hetaerina Americana）在飞镖飞行获得使用摄影测量系统。利用三维细分曲面重建方法，对蜻蜓翅膀的变形和运动学进行了建模和重建。然后进行了高保真度模拟，以了解在近场和远场的豆娘翅膀涡的形成，并检查相关的气动性能。一个笛卡尔网格为基础的尖锐的界面浸入边界求解器被用来处理这样的流动在其所有的复杂性。
2013-10-12 physics.flu-dyn
Aerodynamic performance and flow mechanism of 3D flapping wing using discrete vortex method
本文采用离散涡方法模拟三维矩形扑翼，比较刚性、弯曲、扭转及弯扭耦合机翼的升推力、推进效率与涡动机理，并分析运动学参数影响。
2023-09-27 physics.flu-dyn
Aeroelastic characterisation of a bio-inspired flapping membrane wing
像蝙蝠这样的自然飞行者可以很容易地利用它们柔性薄膜翅膀和空气之间复杂的流体结构相互作用。然而，复制和缩放的结构和流体动力学参数的非定常膜翼的工程应用之间的平衡仍然具有挑战性。在这项研究中，我们介绍了一种新的生物启发膜翼的设计和系统地研究扑动膜翼的流固耦合。薄膜翼可以被动地弯曲，并且其前缘和后缘相对于行程平面旋转。我们发现膜的性能和扑动运动学的最佳组合，表现出刚性的同行，无论是在增加冲程平均升力和效率，但改善是不是持久的整个输入参数空间。升力和效率最佳值出现在不同的攻角和有效膜刚度下，我们用气动弹性数来表示。在最佳气动弹性数下，膜具有介于15%和20%之间的适度弯度，并且其前缘和后缘有利地与流动对齐。在较低的气动弹性数下，由于前缘的负攻角和后缘的过度旋转，较高的弯度导致气动性能降低。膜翼相对于刚性翼的大部分性能增益是在机翼减速时的行程的后半部分实现的。冲程最大外倾角在冲程中期左右达到，但在冲程的其余大部分时间内保持不变，这导致升力增加和功率减少。研究结果表明，变刚度和迎角变化相结合可以显著提高薄膜翼的气动性能，具有提高微型飞行器控制能力的潜力。
2022-06-16 physics.flu-dyn
Bio-inspired Flexible Twisting Wings Increase Lift and Efficiency of a Flapping Wing Micro Air Vehicle
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）；Max Planck Institute for Intelligent Systems（马克斯·普朗克智能系统研究所）
研究了机翼扭转柔性对可起飞的微型扑翼飞行器升力和效率的影响。由于建模和制造的限制，以前使用的机翼被选择为完全刚性的。然而，生物翅膀是高度灵活的，其他微型飞行器已经成功地利用灵活的机翼结构来执行专门的任务。我们研究的目的是确定柔性机翼的动态扭转是否可以增加整体气动升力和效率。与刚性机翼设计相比，柔性扭转机翼设计可使气动效率增加41.3%，平移升力增加35.3%，有效升力系数增加63.7%。这些结果超过了准定常叶素模型的预测，表明扭曲扑翼的非定常计算流体动力学模拟的需要。
2020-01-24 cs.RO physics.flu-dyn
Flapping states of an el astically anchored wing in a uniform flow
本文对均匀来流中弹性锚固机翼的线性稳定性进行了解析和数值研究。通过Theodorsen的理论，分析公式明确地考虑了尾流对机翼的影响。三个不同的参数非平凡地统治观察到的动态：质量密度比之间的机翼和流体，弹簧弹性常数和之间的距离机翼质心和弹簧锚点的机翼。我们发现这些参数之间的关系，规则之间的过渡稳定平衡和颤振。所得到的边缘曲线的形状已成功地验证了高雷诺数直接数值模拟。我们的研究结果是感兴趣的应用程序相关的能量收集的流体-结构相互作用，最近引起了极大的关注的问题。在这种情况下的主要目的是确定最佳的物理/几何系统配置，导致大的持续运动，这是我们的目标是提取的能量源。
2012-02-24 physics.flu-dyn
Lift augmentation by incorporating bend twist coupled composites in flapping wing
本研究提出利用复合材料层合板的弯扭耦合特性实现扑翼自适应变形，通过优化纤维取向角在不依赖外部机构的情况下最大化升力，使升力提升达五倍，并显著提高效率。
2025-05-29 physics.flu-dyn
Dimensional analysis of spring-wing systems reveals performance metrics for resonant flapping-wing flight
扑翼昆虫，鸟类和机器人被认为是通过使用弹性元件进行能量存储和返回来抵消振动翅膀运动的高功率成本。昆虫在其飞行解剖学中具有高回弹性的弹性区域，这可以实现高动态效率。然而，最近的实验突出了由于昆虫胸腔中的阻尼而导致的损失，这可能会减少这些弹性元件的益处。我们进行了实验，和模拟的动态缩放robophysical扑翼模型与弹性元件和生物相关的结构阻尼，以阐明身体力学，空气动力学和驱动弹簧翼能量的作用。我们测量了振荡扑翼动力学和能量的驱动参数，系统惯性和弹簧弹性的范围。为了推广这些结果，我们推导出无量纲弹簧翼运动方程，并提出了描述扑翼系统共振特性的变量：$N$，惯性和空气动力学的相对影响的度量，和$\hat{K}$，减少刚度。我们发现，内部阻尼尺度与$N$，揭示动态效率单调下降，增加$N$。基于这些结果，我们介绍了一个通用的框架，了解内部阻尼，空气动力和惯性力，弹性结构中的所有弹簧-机翼系统的作用。
2020-12-10 physics.bio-ph physics.flu-dyn
How wing compliance drives the efficiency of self-propelled flapping flyers
扑翼飞行器的飞行性能取决于机翼的柔性。在这里，我们使用一个自推进扑翼模型安装在一个“旋转木马”，以研究机翼的遵守对系统的推进效率的影响。我们的测量结果表明，机翼的弹性性质不仅可以导致消耗的功率大幅减少，而且还可以增加推进力。用柔性板模型对机翼进行缩尺分析指出，对于在空气中拍动的飞行器，弹性弯曲机翼的随时间变化的形状由机翼惯性决定。基于这个预测，我们定义使机翼变形的惯性力与限制变形的弹性回复力之比为\emph{elasto-inertial number} $\mathcal{N}_{ei}$。我们的测量与自推进模型证实，它是适当的结构参数来描述扑翼飞行器与柔性翼。
2010-07-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A Robust Data-Driven Model for Flapping Aerodynamics under different hovering kinematics
本研究针对扑翼微型飞行器瞬时气动性能预测难题，提出结合岭回归与高斯过程回归的两阶段数据驱动准稳态降阶模型，在多运动学场景下实现了高精度气动预测并可估计模型不确定性。
2022-12-19 physics.flu-dyn
Wing twist and folding work in synergy to propel flapping wing animals and robots
研究设计三自由度扑翼机器人Flapperoo，通过风洞和PIV实验发现翼折叠与扭转协同可增强推力、减少负升力并降低上扑功耗，为未来扑翼机器人提供指导。
2024-08-28 physics.bio-ph physics.flu-dyn
A quantitative analysis of leading edge vortices in flapping wing aerodynamics
本研究提出一种定量描述扑翼前缘涡的方法，结合Q准则、细化算法等识别涡结构与核心并计算流动量，应用于前飞扑翼数据，揭示LEV发展分裂规律及与截面升力的关联。
2025-09-05 physics.flu-dyn
A novel 3D variational aeroelastic framework for flexible multibody dynamics: Application to bat-like flapping dynamics
提出了一种新型的扑翼三维变分气动弹性框架，该框架具有受外部不可压缩湍流作用的柔性多体系统。所提出的气动弹性框架包括一个三维流体求解器与延迟分离涡模拟（DDES）和一个非线性整体弹性结构求解器的柔性多体系统的约束。径向基函数（RBF）应用于该框架中的离散非匹配的界面网格，同时满足全局能量守恒的气动力和结构位移的传递。流体方程在空间上采用稳定的Petrov-Galerkin方法离散，在时间上采用广义$α$方法积分。采用几何精确共旋有限元法求解柔性多体系统，并采用能量衰减格式保证约束条件下多体系统求解器的数值稳定性。采用交错分区迭代的非线性迭代力修正（NIFC）格式，以保持强附加质量效应下气动弹性耦合问题的数值稳定性。利用所提出的气动弹性框架对具有扑动运动的各向同性铝机翼进行了数值模拟，并利用已有的实验数据验证了耦合解的准确性。接下来，我们研究的鲁棒性和可靠性的3D柔性多体气动弹性框架的各向异性扑翼飞行，涉及板条和膜与复合材料和对比实验结果。最后，我们展示了气动弹性框架的蝙蝠一样的翅膀和研究的灵活性扑翼动力学的影响。
2018-07-12 physics.flu-dyn
Thrust Enhancement and Degradation Mechanisms due to Self-Induced Vibrations in Bio-inspired Flying Robots
当扑翼机器人沿着一条轨迹运动时，它会经历一些关于其平均路径的振动。即使在悬停的情况下，由于气动力的振荡性质，飞行器也会经历这样的振动。本文研究了这种振动对悬停的影响。我们使用了两个设置来测量扑翼机器人产生的推力。一个涉及称重传感器，不允许任何形式的振动。另一个是一个钟摆，它允许在一个特定的方向振动。我们使用了两种不同的扑翼机器人，一个是传统的扑翼机器人与两个翅膀，另一个是四翼机器人，利用拍手和剥离机制产生推力。我们观察到，测力传感器设置测量更多的推力为两翼模型比摆设置。对于四翼模型观察到相反的趋势。我们使用运动捕捉系统测量振动诱导速度。我们使用众所周知的空气动力学模型，以观察在扑动周期的振动的影响。为了获得振动影响流场的物理洞察，我们在扑翼周期的不同时刻使用烟流可视化。结果表明，在双机翼的情况下，扰动减弱了射流效应，导致其对推力产生的不利影响。相反，扰动增强了四翼机器人的拍掌效果，有利于推力的产生。
2023-01-21 physics.flu-dyn
Numerical simulation of flow over flapping wings in tandem: wingspan effects
本文采用直接数值模拟的方法，对水平串列布局的一对机翼进行了数值模拟，分析了展弦比对系统流动和气动性能的影响。机翼浸入雷诺数Re = 1000的均匀自由流中，并在斯特罗哈尔数St = 0.7的情况下经历升沉和俯仰振荡。前翅和后翅的展弦比在2和4之间变化。系统的气动性能取决于由前翼脱落的后缘涡（TEV）与在后翼上形成的诱导前缘涡之间的相互作用。无论后翼展弦比如何，前翼的气动性能与孤立翼的气动性能相似，前翼-后翼相互作用产生的调节效应很小。另一方面，后翼的气动性能明显受到与前翼TEV的干扰的影响。前翼展弦比比大于后翼展弦比的串列布局，在后翼上产生准二维流动结构。这使后翼的时间平均推力系数增加了8%，而其推进效率没有变化。
2022-01-20 physics.flu-dyn
Design of a magnetically actuated flapping wing contrivance
微型无人飞行器具有广阔的应用前景，是一个非常活跃的研究领域。先前实现扑翼飞行的工作已经取得了一些成功，但是它们严重依赖于旋转电动机的使用。这些需要铰链，滑块和齿轮将旋转运动转换为扑翼飞行所需的线性往复运动。这种方法在机械上很复杂，容易卡住，效率低下，而且不能很好地扩展。因此，介绍了一种新型致动器的设计，该致动器能够用旋转电动机代替直接产生线性往复运动的电动机。通过消除在旋转和往复运动之间转换的需要，可以显著提高效率和可靠性。还描述了对线性致动器的进一步改进，其能够在不增加复杂性或重量的情况下实现独立的机翼致动。通过双向控制，即使在采用被动机翼旋转时，也可以对扑动动力学和随后的航迹进行可靠的控制。
2019-03-18 physics.app-ph physics.flu-dyn
Rather than resonance, flapping wing flyers may play on aerodynamics to improve performance
节约能源和提高性能是自然界和人类共同关心的长期问题。在动物运动中，扑翼飞行者或游泳者依靠其翅膀或身体的灵活性，使用适当的储存和释放弹性能量的循环来被动地提高其效率。尽管许多观察结果都指出了这一特征，但解释机翼弹性与推进效率之间关系的基本机制仍然不清楚。在这里，我们使用自推进简化昆虫模型进行实验，以展示翅膀的顺应性如何决定扑翼飞行者的性能。减少描述的扑翼强迫振荡器模型，我们查明不同的非线性效应，可以占观察到的行为-特别是一组立方非线性来自用于建模的机翼和二次阻尼项的夹紧自由梁方程表示流体阻力与快速扑动。与文献中反复提出的相反，我们表明扑翼飞行器优化其性能不是通过特别寻找共振来实现更大的扑翼振幅，而是通过调整机翼形状的时间演变（即振荡器模型中的相位动力学）来优化空气动力学。
2011-08-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
The Effect of Pore Structure in Flapping Wings on Flight Performance
Yildiz Technical University（耶尔德兹理工大学）；Imperial College London（帝国理工学院）；SEV American College（SEV美国学院）
本研究以蜻蜓、蛾、蜂鸟等飞行生物为研究对象，探讨孔隙对翅膀性能的影响。这些研究是通过Comsol Multiphysics软件进行的三维多孔扑翼流场分析。在这项研究中，我们分析了不同数量的多孔机翼在不同的倾斜角度，以了解孔隙的升力和阻力的影响。为了比较结果，进行了9次不同的分析。在这些分析中，气流速度取为5 m/s，迎角取为5度，频率取为25 Hz，扑翼角取为30度。通过保持这些值恒定，将孔的数量改变为36、48和60，并且将孔的倾斜角改变为60、70和80度。通过给在Comsol Multiphysics程序中设计的机翼提供层流来进行分析。孔的重要性进行了研究，通过比较这些分析的结果。
2021-06-03 cs.RO physics.flu-dyn
FluSI: A novel parallel simulation tool for flapping insect flight using a Fourier method with volume penalization
FluSI是一个完全并行的开源软件，用于粘性流中三维扑翼飞行的伪谱模拟。它可以在[https：//github.com/pseudospectors/FLUSI]下免费获得，可用于非商业用途。计算框架在具有分布式存储器架构的高性能计算机上运行。采用自适应时间推进的Fourier拟谱方法离散三维不可压纳维-斯托克斯方程。用体积惩罚方法处理了具有刚性扑翼的昆虫的复杂时变几何形状。描述了昆虫几何学、飞行力学和翅膀运动学的模块。不同基准的验证测试说明了该方法的效率和精度。最后，一个模型昆虫在湍流制度的计算表明，该软件的通用性。
2015-12-24 physics.flu-dyn
Thrust force is tuned by the rigidity distribution in insect-inspired flapping wings
本文研究了仿昆虫双翅脉扑翼的空气动力学，发现翅脉间角度变化导致推力非单调变化，约20度时达到最优配置，揭示了翅脉网络最优分布的物理机制。
2023-12-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Coupling of the wings and the body dynamics enhances damselfly maneuverability
在扑翼飞行中，翅膀在空气中的运动产生了控制身体运动的大部分力和扭矩。另一方面，不清楚身体运动对翅膀的影响有多大。我们通过分析三种不同种类的豆娘的快速偏转来研究这种联系。在这个结合实验和理论研究，我们表明，在低频扑翼飞行的翅膀和身体的动力学耦合在一起。因此，豆娘受益于一个被动机制，以加强双边翅膀俯仰角的不对称性，以维持身体的旋转。基于该机理建立的昆虫快速转弯运动的物理模型，可有效地将昆虫翅膀和身体的形态学、运动学和动力学联系起来。
2015-02-24 physics.flu-dyn
State-space aerodynamic model reveals high force control authority and predictability in flapping flight
The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）
飞行动物依靠快速、大自由度的扑翼运动，这是将它们与气动表面运动有限的旋转或固定翼机器人飞行器区分开来的关键特征。然而，扑翼空气动力学的特点是高度不稳定和三维流动难以建模或控制，准确的气动力预测往往依赖于昂贵的计算或实验方法。在这里，我们开发了一个计算效率和数据驱动的状态空间模型，以动态地将机翼运动学映射到气动力/力矩。该模型用548个不同的扑翼运动进行了训练和测试，并超过了现有准定常模型的精度和通用性。该模型使用12个状态来捕获与力产生相关的非定常和非线性流体效应，而没有流体流动的明确信息。我们还对关键机翼运动变量的控制权威性进行了全面评估，发现瞬时气动力/力矩在很大程度上可通过半冲程周期内的机翼运动历史来预测。此外，迎角、法向加速度和俯仰运动对气动力/力矩产生的影响最大。我们的研究结果表明，扑翼飞行固有地提供了高的力控制权威和可预测性，这可能是发展敏捷和稳定的空中飞行员的关键。
2021-08-04 cs.RO physics.flu-dyn
Very small insects use novel wing flapping and drag principle to generate the weight-supporting vertical force
空气粘度对昆虫翅膀周围流动的影响随着昆虫尺寸的减小而增大。对于最小的昆虫（翼长R小于1 mm），粘性效应是如此之大，以至于它们较大的对应物所使用的升力产生机制变得无效。支撑重量的垂直力是如何产生的尚不清楚。为了阐明空气动力学机制负责，我们测量了微小的黄蜂Encarsia formosa（0.6 mm R）在悬停或非常缓慢的上升飞行中的机翼运动学，并计算和分析气动力。我们发现，昆虫执行两个不寻常的翅膀运动。一种是划船：翅膀快速向下和向后移动，就像划桨一样;另一种是以前发现的Weis-Fogh投掷。划船产生70%的垂直力，Weis-Fogh投掷产生另外30%。桨翼主要产生一个近似向上指向的阻力，从而产生垂直力。因为每一次划桨都产生一个起动流，所以阻力本质上是不稳定的，并且在相同的速度和攻角下比稳定运动中的阻力大得多。此外，我们的计算表明，如果小黄蜂采用较大昆虫的通常的翅膀运动学（在水平面上来回拍打），产生的垂直力将只有真正的翅膀运动学的三分之一;也就是说，它们必须使用特殊的翅膀运动来克服通常使用的拍打运动学遇到的大粘性效应的问题。我们第一次观察到非常小的昆虫使用阻力来支撑它们的重量，并解释了当应用阻力原理时如何产生净垂直力。
2018-07-15 physics.bio-ph physics.flu-dyn
On the Shape Optimization of Flapping Wings and their Performance Analysis
本文研究了扑翼前飞时的形状优化问题。分析是通过结合基于梯度的优化与非定常涡格法（UVLM）。我们描述了UVLM的实现，并提供见解如何选择适当的网格和时间步长，以实现不变的UVLM模拟结果下进一步网格细化。我们的目标是确定一组优化的形状，最大限度地提高推进效率，定义为在升力，推力和面积的限制下，在空气动力的推进功率的比率。影响飞行性能的几个参数进行了研究，并描述了它们的影响。这些参数包括机翼的展弦比、中弧线和前后缘的曲率。该研究为工程飞行系统的外形设计提供了指导。
2012-11-12 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Effects of Aspect Ratio on Rolling and Twisting Foils
扑翼飞行和游泳由于其内在的科学丰富性和对新型机器人系统的适用性而越来越多地被研究。切片理论通常应用于扑翼，但这种建模仅严格适用于无限展弦比（AR）的限制，其中几何和运动学是有效统一的。这项工作比较了流动的特点和力量的条理论和三维扑翼翼，保持相似的滚动和扭转运动学，而不同的箔AR。我们发现有限AR和展向变化的运动学的关键影响是产生的时间周期性展向流稳定的涡结构，并提高了动态的翼型根部。类似于普朗特有限翼理论，发展了扑翼的展弦比修正，使未来在有限展弦比扑翼的分析和设计中使用条带理论成为可能。
2020-10-14 physics.flu-dyn
Flow interactions and forward flight dynamics of tandem flapping wings
New York University（纽约大学）；Flatiron Institute（平顿研究所）
研究双翼拍打飞行中流体相互作用与前向飞行动力学，通过改进的涡片方法模拟飞行器在集体流场中的运动，发现稳定状态及稳定性，并探讨弱拍打跟随翼的'保持跟进'条件。
2025-05-19 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Quasi-steady aerodynamics predicts the dynamics of flapping locomotion
New York University（纽约大学）
本文通过准稳气动力学模型揭示振翅运动中升力与阻力的变化规律，展示了其在不同雷诺数和攻角下的应用范围和物理意义。
2026-04-06 physics.flu-dyn
Resonance and propulsion performance of a heaving flexible wing
本文研究了在无粘边界条件下，柔性垂荡翼在二维平行流中弯曲刚度对其推进性能的影响。采用势流理论描述扑翼绕流。机翼的涡尾流是由机翼后缘非定常强度的点涡脱落引起的。后缘挥舞振幅被证明是最大的一个离散的刚性值的集合，在那里的强迫频率和系统的固有频率之间发生共振。这些共振的位置与线性稳定性分析结果的定量比较。这样的共振引起的平均开发的推力和功率输入的最大值。扑翼效率也被证明是大大提高了灵活性。
2009-06-15 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Optimal propulsive flapping in Stokes flows
游泳的鱼和飞行的昆虫利用鳍和翅膀的拍打来产生推力。相比之下，微生物的附肢通常以波浪状变形。由于具有两个自由度的扑翼运动在理论上能够在所有雷诺数下从时间周期驱动产生净力，因此本文计算了Stokes流中刚性球体的最佳扑翼运动学。准确地求解了扑翼运动的力产生和能量学的流体力学问题。然后，我们分析计算的梯度的扑翼效率在空间中的所有扑翼步态，并利用它来获得数值的最佳扑翼运动学作为一个函数的形状的挡板和运动的幅度。最佳扑翼的运动学被观察到弱地依赖于挡板的形状，并且非常类似于在昆虫翅膀的运动中观察到的8字形运动。我们的研究结果表明，扑翼可以作为一种有效的推进机制，在整个雷诺数范围内的实验利用。
2014-06-17 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Aerodynamic consequences of wing damage in dragonflies
ESPCI Paris-Université PSL, Sorbonne Université, Université Paris Cité（巴黎高等物理化工大学国立学院、索邦大学、巴黎西岱大学）；Skolkovo Institute of Science and Technology（斯科尔科沃科学技术研究所）；Aix-Marseille Université（艾克斯-马赛大学）
研究通过CFD模拟分析蜻蜓翅膀损伤对空气动力学性能的影响，发现损伤导致涡旋结构变化及飞行能力下降，且前翅损伤会影响同侧后翅性能。
2025-07-01 physics.flu-dyn
Stability and sensitivity analysis of bird flapping flight
研究扑翼飞行的稳定性问题。由于气动力随时间变化，这样的系统不显示固定的平衡点。因此，通过基于Floquet理论的极限环分析来处理这个问题。从与极限环相关的雅可比矩阵的特征值评估稳定性，也称为Floquet乘数。我们开发了这个框架来分析扑翼飞行运动方程的鸟在纵向平面。这样的系统不仅是非线性和时间依赖的，而且还由状态依赖的强迫气动力驱动。为了产生真实的状态相关气动力，建立了一个考虑机翼变形的模型。变形的机翼几何形状的结果，从连续铰接刚体的包络，建模骨骼和羽毛轴，并捕捉生物相关的自由度。进行了灵敏度分析，它允许研究几个飞行配置在配平状态。我们的数值结果表明，在这样一个系统中的不稳定模式是无处不在的，从而表明感觉反馈的重要性，以实现稳态扑翼飞行的鸟类。翼拍幅度的影响，由肩关节，被认为是至关重要的调整步态水平飞行，但轻微影响稳定性。与此相反，机翼和质心之间的相对位置被发现显着影响Floquet乘数的值，这表明俯仰力矩的分布在扑翼飞行稳定性中起着非常重要的作用。
2020-09-01 nlin.CD physics.flu-dyn
Aerodynamic ground effect in fruitfly sized insect takeoff
扑翼昆虫飞行中的气动地面效应对比较形态学和微型飞行器（MAV）界的兴趣是重要的。然而，最近的研究表明，显然矛盾的结果，要么一些显着的额外升力或功率节省，或零地面效应。在这里，我们提出了一个数值研究果蝇大小的昆虫起飞的腿推力和翅膀运动学的意义上的具体重点。采用数值模拟和高性能计算的方法对扑翼起飞进行了研究。气动力的计算使用三维Navier-Stokes方程求解器的基础上的伪谱方法与体积惩罚。它与一个飞行动力学求解器相结合，该求解器考虑了体重、惯性和腿部推力，同时只有两个自由度：垂直和纵向水平位移。果蝇的自然自愿起飞被认为是参考。然后改变模型的参数，以探索扑翼模型和地平面之间的相互作用的可能影响。这些修改的起飞包括具有减小的腿部推力参数和/或具有周期性机翼运动学、恒定的机身俯仰角的情况。结果表明，自然起飞过程中地面效应可以忽略不计。在改进的起飞中，当爬升速率很慢时，由于与地面的相互作用而产生的气动力差异高达6%。令人惊讶的是，根据运动学，差异是正的或负的，与基于直升机理论的直觉相反，直升机理论认为是正的多余升力。这种效应归因于非定常机翼-尾流干扰。在悬停期间发现类似的效果。
2016-02-26 physics.flu-dyn
Flapping-pattern change in small and very small insects
中型和大型昆虫在正常悬停水平，平面向上和向下冲程1 -4。由前缘涡产生的两个半冲程的升力提供了支撑重量的垂直力。但是，对于小型昆虫（翅长R小于约4 mm，雷诺数Re非常低，约80至10），由于空气粘性的大影响（当Re变得非常低时，在空气中运动就像在油中一样），如果使用上述翼运动学，则不能产生足够的垂直力。小昆虫必须使用不同的扑翼模式。本文通过对一种相对较大的小型昆虫（果蝇：R=3 mm，Re=80）和一种非常小的昆虫（黄蜂：R= 0.5mm，Re=10）的飞行数据分析，提出了一个关于扑翼模式如何变化的假设：随着昆虫大小或Re的减小，一个越来越深的U形上升冲程将用来克服粘性效应。我们通过测量不同大小物种的翅膀运动学来测试这一假设，以获得Re从80到10的数据，并通过计算气动力。实验数据和计算结果支持了我们的假设：平面上升冲程转变为U型上升冲程，上升冲程随尺寸或Re的减小而加深;对于相对较大的小昆虫，U形上升冲程通过具有较大的翼速度而产生比平面上升冲程更大的垂直力，并且对于非常小的昆虫，深U形上升冲程产生大的瞬时阻力，通过机翼的快速向下加速度几乎指向上方，提供所需的垂直力。
2018-09-10 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Data-Driven Discovery and Formulation Refines the Quasi-Steady Model of Flapping-Wing Aerodynamics
Graduate School of Science and Engineering, Chiba University（Chiba大学科学与工程研究生院）
本研究通过数据驱动方法从5000个候选函数中识别并公式化三个被忽视的机制，显著提升了准定常扑翼气动模型在鹰蛾和果蝇飞行中的预测精度，为昆虫飞行理解和仿生机器人开发提供快速分析工具。
2025-08-26 cs.LG physics.bio-ph physics.flu-dyn
Unique flow features of the silent southern Boobook owl wake during flapping flight
几十年来，与猫头鹰无声飞行能力相关的机制一直是科学兴趣的主题，也是在拍打和非拍打飞行中减少噪音的灵感来源。在这里，我们描述了近尾流动力学和相关的流动结构所产生的飞行猫头鹰。我们的目标是阐明独特的流动特性，导致猫头鹰翅膀形态和它的运动在向前扑翼飞行。我们研究了南部boobook猫头鹰（Ninox boobook）的尾流;一种中等大小的猫头鹰，具有隐身飞行的共同特征。三个单独的猫头鹰飞行，分别在一个气候鸟类风洞在他们舒适的速度。尾流中的速度场的采样使用长时间的高速粒子图像测速（PIV），而机翼的运动学同时使用高速视频成像。在几个连续的wingbeat周期获得的速度图的时间序列，使我们能够表征的唤醒模式，并将它们与wingbeat周期的各个阶段。结果表明，猫头鹰的唤醒是显着不同的其他鸟类相比（西部鹬，Calidris mauri;欧洲椋鸟，Strunus vulgaris）。猫头鹰的近尾流没有表现出任何明显的有组织的旋涡脱落。相反，观察到一种更混乱的尾流模式，其中涡度的特征尺度（与湍流相关）与其他鸟类相比要小得多。估算尾流中形成的压力场表明，猫头鹰将压力减小到近似为零。因此，我们认为，owls通过控制尾流中产生的旋涡的大小来操纵近尾流以抑制气动声学信号，这与通过抑制压力场来降低噪声有关
2018-04-23 physics.bio-ph physics.flu-dyn
How Hummingbirds Hum: Oscillating Aerodynamic Forces Explain Timbre of the Humming Sound
蜂鸟独特的嗡嗡声的来源还不是很清楚，但在声学近场和远场中有其起源的线索。为了解开这个谜团，我们使用2176麦克风阵列记录了六只自由盘旋的Annas蜂鸟产生的声学近场。我们还使用一种新的气动力平台直接测量了蜂鸟在体内产生的3D气动力。为了确定空气动力引起嗡嗡声的程度，我们开发了一个简单的第一原理模型来预测由3D振荡力辐射的声场。预测的声场与测量的声场之间的对应关系表明，嗡嗡声的主要声源是随着扑翼来回移动而振荡的升力和阻力。该模型还显示了扑翼的气动力剖面如何决定嗡嗡声的音色和声压水平：支持具有更高谐波的体重的剖面辐射更多的声功率。此外，扩展这个模型在鸟类和飞行昆虫，我们展示了如何辐射声功率的规模与身体质量的第二个权力-异速生长偏差，使更大的鸟类更安静，细长的苍蝇更响亮。该模型能够预测扑翼的声学特征，这表明它可以应用于多种用途，如区分鸟类展示行为中的翅膀和羽毛声音，解释昆虫如何用翅膀产生求爱歌曲，使扑翼机器人翅膀更加安静。
2020-09-03 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Added costs of insect-scale flapping flight in unsteady airflows
小尺度自然和人工扑翼飞行器工作区域内的空中环境是高度复杂的、非定常的和通常湍流的。考虑到扑翼飞行在一个不稳定的风环境中，具有周期性变化的横向速度分量，我们表明，身体旋转经历扑翼飞行器的结果在重新定向的气动力矢量，可以呈现大量的累积赤字的垂直力。我们得到定量估计的身体滚转幅度和相关的能量需求，以保持在这种条件下的自由飞行的重量支持。我们进行力测量的微型蜂鸟启发的机器人挡板和大黄蜂的数值模拟。在这两种情况下，我们证明了由于身体滚动旋转的重量支持的损失。使用半约束飞行测量，我们证明了增加的功率要求，以保持高度在不稳定的风，通过增加扑动频率。扑翼飞行器可以增加它们的扑翼频率以及冲程幅度，以产生所需的气动力增加，这两种类型的补偿控制都需要额外的能量成本。我们分析了现有的数据，从实验动物在冯卡门街道飞行，并找到合理的协议与提出的理论模型。
2016-10-28 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.QM
Unsteady load alleviation on highly flexible bio-inspired wings in longitudinally oscillating freestreams
受鸟类羽毛启发，本研究结合实验与数值模拟，发现高柔性复合材料机翼能通过破坏层流分离泡、促进稳定湍流边界层来有效减缓纵向振荡来流下的非定常气动载荷。
2025-01-04 physics.flu-dyn
Estimation of unsteady aerodynamics in the wake of a freely flying European starling
扑翼是自然界中最普遍的推进方式之一，然而，目前对鸟类尾流中空气动力学的理解是不完整的。非定常运动在流动中的作用及其对空气动力学的贡献，至今仍是一个悬而未决的问题。在目前的研究中，自由飞行的欧洲椋鸟尾流已被调查，使用长时间的高速粒子图像测速（PIV）在近尾流。鸟的翅膀和身体的运动学分析已经进行了使用额外的高速摄像机，同时记录鸟的运动与PIV测量。通过时间分辨数据的重建，描述了四个完整翼拍的尾流演化特征，并根据作用在鸟身上的流向力分析了尾流中的空气动力学。从经典的空气动力学的轮廓阻力被发现是积极的，在大多数的翼拍周期，但运动图像显示，鸟不减速。结果表明，非定常空气动力是必要的，以满足阻力/推力平衡，通过近似的非定常阻力项。这些发现可能会揭示鸟类的飞行效率，通过提供一个部分的答案，他们如何在扑翼飞行过程中最大限度地减少阻力。
2013-06-01 physics.flu-dyn
Sequential learning based PINNs to overcome temporal domain complexities in unsteady flow past flapping wings
Department of Aerospace Engineering, Indian Institute of Technology Madras（航空航天工程系，印度理工学院马德拉斯分校）；Laboratoire Interdisciplinaire des Sciences du Numérique LISN-CNRS（跨学科数字科学实验室（LISN-CNRS））
本文提出基于序列学习的PINNs方法，用于解决翼拍流动中长时间积分的误差积累和计算复杂性问题。
2025-03-19 cs.LG physics.flu-dyn
An experimental data-driven mass-spring model of flexible Calliphora wings
昆虫翅膀在拍动过程中，由于惯性力、弹性力和气动力的作用，会发生明显的变形。形状的变化改变了空气动力，导致了一个完全耦合的流体-结构相互作用（FSI）问题。在这里，我们提出了详细的三维流固耦合模拟可变形的丽蝇（丽蝇呕吐）的翅膀在扑翼飞行。机翼模型提出了使用多参数质量弹簧的方法，选择其实现简单和计算效率。我们训练模型再现静态弹性测量，通过优化其参数，使用遗传算法与协方差矩阵自适应（CMA-ES）。然后将用实验数据训练的机翼模型耦合到在大规模并行超级计算机上运行的高性能流动求解器。不同的功能的建模方法和种内弹性性能的变化进行了讨论。我们发现，不同的机翼刚度的个人表现出相似的空气动力学特性，其特征在于在相同的雷诺数的无量纲力和功率。通过比较柔性机翼和刚性机翼，进一步研究了机翼柔性的影响。在刚性和柔性机翼相同的规定运动条件下，机翼柔性提高了升阻比和升功率比，并降低了机翼旋转期间观察到的峰值力。
2022-01-27 cs.NA math.NA physics.bio-ph
The effects of wing inertial forces and mean stroke angle on the pitch stability of hovering insects
本文提出适用于平均化技术的动力学模型，研究悬停昆虫俯仰稳定性，发现翅膀惯性力影响显著且稳定性源于重力矩与非零平均扑动角气动矩的平衡。
2023-06-27 physics.class-ph physics.flu-dyn
Upstroke wing clapping in bats and bat-inspired robots improves both lift generation and power economy
受小短鼻果蝠启发研发可变折叠两自由度扑翼平台，通过多方法研究不同St数下翼折叠对升力与功率经济性的影响，揭示了扑翼飞行的两种升力优化策略。
2024-11-03 physics.bio-ph physics.flu-dyn
A minimal wake-vortex model explains formation flight of flapping birds
Center for Fluid Mechanics, School of Engineering, Brown University（布朗大学工程学院流体力学中心）
本文提出一种简化模型，解释了扑翼鸟类编队飞行中涡流相互作用的空气动力学机制，揭示了编队飞行能减少11%的机械功率。
2026-07-23 physics.flu-dyn
Energetic and Control Trade-offs in Spring-Wing Systems
本研究通过Weis-Fogh数分析弹簧-机翼系统在扰动下的响应，发现为最大化能量效率设计的共振系统会随该参数升高而牺牲敏捷性与稳定性，揭示了昆虫飞行中机械共振的能量与控制权衡。
2024-03-06 physics.bio-ph physics.flu-dyn
