Four-winged flapping flyer in forward flight
本文对一个四翼拍动飞行器进行了实验研究。对于一个给定的物理配置的飞行器（即固定的前翼和后翼对之间的距离和固定的机翼的灵活性），我们探索的扑动频率和前翼-后翼相位滞后构成的运动学参数空间。在$(f,φ)$参数空间中的每个点进行巡航速度和消耗的电功率测量，并允许我们讨论四翼扑翼飞行的性能和效率的问题。我们表明，需要不同的相位滞后的系统进行优化，以最快的飞行或最低的能耗。根据前翼-后翼相位滞后和柔性翼变形运动学的耦合动力学，提出了一个潜在机制的猜想。
2014-12-31 physics.flu-dyn
Smart wing rotation and ingenious leading edge vortex control modulate the unconventional forces during insects flights
与固定翼飞行相比，扑翼飞行可以产生更高的升力，也更容易折叠，这主要是由于机翼旋转的好处。通过对果蝇真实翅膀运动学的分析，发现果蝇翅膀的旋转是智能调制的，可以简化为超前$Φ>0$、对称$Φ=0$和延迟$Φ<0$三种模式，其中$Φ$是从划动反转到翅膀旋转的相位。因此，在雷诺数为240的机器人苍蝇的实验设计，以解决昆虫如何控制的流动模式，以调节飞行力的智能翼旋转。实验结果表明，在半行程内，流场的特征是形成了一个螺旋形的LEV，LEV的形状呈凸状，并通过一个尖涡和一个根涡与尾涡连接形成涡环。通过机翼的旋转，增强了LEV的形成，并可以显着延迟LEV的夹断，从而导致LEV的稳定和非常规力的产生。此外，通过调节翅膀的旋转模式，昆虫获得不同的翼涡模式，包括积极的，中性的，和负的弯度模式，昆虫控制的大小和方向的非常规的力量，由于尾流捕获机制。因此，智能翼旋转不仅有助于产生非常规力，而且还占在昆虫转向机动过程中的流态控制。
2019-06-18 physics.flu-dyn
Periodic and Chaotic Flapping of Insectile Wings
昆虫利用附着在翅膀底部的飞行肌肉产生令人印象深刻的翅膀拍打频率。这些飞行肌肉的最大功率输出不足以维持这样的翅膀振荡，除非在昆虫飞行系统中有良好的弹性能量储存。在这里，我们探讨了昆虫翅膀模型的内在自振荡行为，由两个刚性翅膀连接在其基础上的弹性扭转弹簧。我们研究了作为总能量和弹簧刚度的函数的机翼行为。三种类型的行为被确定为：端对端旋转，混沌运动，和周期性的拍打。有趣的是，周期性挥舞的区域随着能量的增加而减小，但是随着刚度的增加而有利。这些发现与昆虫翅膀和飞行肌肉是僵硬的这一事实相一致。他们进一步暗示，通过将它们的肌肉硬度调整到所需的能级，昆虫可以在一系列操作条件下机械地保持周期性扑翼。
2015-04-24 physics.flu-dyn
Characterisation and extension of a rigid body dynamics solver coupled with OpenFOAM for flight performance analysis of flapping-wing drones
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
The Peregrine Falcon's Dive: On the Pull-Out Maneuver and Flight Control Through Wing-Morphing
在拉出机动，游隼被观察到采取特定的飞行配置，这被认为是提供一个空气动力学的优势，空中猎物。对猎鹰在受控环境中的飞行轨迹的分析表明，它的载荷系数高达3，进一步的预测表明，在高速拉出过程中，载荷系数可能会增加到近10 g。这可归因于机翼上产生升力的涡流结构所促进的高机动性。在真实大小的模型上进行的风洞实验，以及在理想化模型上进行的高保真度模拟，这些模型基于不同配置的猎鹰标本，表明在拉出时展开手翼会产生额外的涡升力，类似于三角翼的战斗机。通过对模型绕流的大涡模拟，计算了模型的气动力和气动力中心的位置。这样就可以分析出在一次拔出时的纵向静稳定性，证实猎鹰在俯仰力矩为正斜率时俯仰不稳定地飞行，配平迎角约为5 $^\circ$，这可能是为了使响应性最大化。手翼/主翼被认为有助于增强稳定性，就像升降副翼在无尾翼身融合飞机上的作用一样。
2020-08-10 physics.flu-dyn
Aerodynamic performance of a tandem wing configuration inspired from dragonfly gliding flight for MAV application
针对微型飞行器低雷诺数气动挑战，本文通过直接数值模拟研究仿蜻蜓波纹串联翼构型，发现前后翼相互作用提升前翼升力，零垂直间距时阻力系数降低约7%，效率接近孤立翼。
2023-04-16 physics.flu-dyn
Fruit flies modulate passive wing pitching to generate in-flight turns
飞行的昆虫通过对翅膀运动的微妙操纵来执行空中机动。在这里，我们测量果蝇的自由飞行运动学，并确定他们如何调整他们的翅膀俯仰诱导急转弯。通过分析这些昆虫施加的扭矩俯仰他们的翅膀，我们推断，翅膀铰链作为一个扭转弹簧，被动地抵抗翅膀的倾向，翻转响应空气动力学和惯性力。为了转弯，昆虫不对称地改变弹簧静止角度以产生它们的翅膀的划船运动。因此，昆虫可以产生这些演习，仅使用轻微的主动致动，偏置他们的翅膀运动。
2009-10-05 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Bio-Inspired Synergistic Wing and Tail Morphing Extends Flight Capabilities of Drones
无人机在复杂环境和广阔区域的操作需要自适应飞行能力，以满足敏捷和快速巡航飞行的相反空气动力学要求。需要高敏捷性和机动性来积极地绕过障碍物并执行瞬时起飞或着陆，同时在覆盖长距离时需要高能量效率。在自然界中，一些鸟类通过翅膀和尾巴的协同适应来满足这些要求，例如北苍鹰，它在穿越森林时表现出高度的敏捷性和机动性，在开阔地伏击猎物时表现出快速稳定的飞行能力。本文利用一种新型的仿生翼-尾变形无人机，对仿生翼-尾变形对飞行性能的影响进行了实验研究。研究表明，翼尾复合变形可以提高无人机的敏捷性、机动性、稳定性、飞行速度范围和能量效率。无人机的飞行性能在风洞试验、外形优化研究和室外飞行试验中得到验证。
2020-02-09 physics.app-ph physics.flu-dyn
Passive aerodynamic robustness reduces disturbance amplification in flight
J. C. Wu Center for Aerodynamics, School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学航空航天学院空气动力学中心）；Commercial Aircraft Corporation of China, Ltd.（中国商用飞机有限责任公司）
研究揭示鸟类翅膀通过被动方式减少气动扰动放大，提升飞行稳定性，但牺牲了气动效率，揭示了效率与鲁棒性之间的权衡。
2026-06-05 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
Curving to fly: Synthetic adaptation unveils optimal flight performance of whirling fruits
种子、果实和其他散布体（散布单位）的伸展对于它们的风传播是必不可少的，因为它们起到翅膀的作用，使它们能够飞行。旋转的果实从它们的萼片产生一种自动旋转运动，萼片是一种叶子状的结构，向上和向外弯曲，产生一种抵消重力的升力。然而，果实的萼片形状与飞行性能之间的联系还不清楚。我们开发了一个理论模型，并对双翼仿生3D打印水果进行了实验，我们假设植物具有有限的能量，可以转化为大量的能量来构建萼片，并允许它们弯曲。流体动力学理论和实验，涉及合成，双翼水果表明，产生最大的飞行时间有一个最佳的折叠角干燥萼片。一个类似的萼片折叠角被发现为广泛的旋转水果收集在野外，强调翼曲率可以帮助作为一个有效的机制，风传播的种子，并可能提高其生产者的健身环境中的生态策略。
2019-02-20 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
Unsteady Flow and Force Control in Butterfly Take-off Flight
在这项工作中，高分辨率，高速视频的帝王蝶（Danaus plexippus）在起飞飞行获得使用摄影测量系统。利用三维细分曲面重建方法，从这些视频中建模和重建蝴蝶的身体/翅膀的变形和运动学。然后进行高保真度模拟，以了解涡的形成在近场和远场的蝴蝶翅膀，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。
2012-10-15 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
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
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
Mach and Reynolds Number Effects on Transonic Buffet on the XRF-1 Transport Aircraft Wing at Flight Reynolds Number
本研究通过欧洲跨声速风洞试验，探究了马赫数和雷诺数对XRF-1运输机翼跨声速抖振的影响，识别了抖振起始特征及激波传播速度范围，为飞行包线边界的气动设计提供了数据支撑。
2022-12-14 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
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
The seed-carrying stalk of the linden diaspore ensures autorotating flight
本研究揭示椴树传播体的柄长与翼展比是确保自旋飞行的关键，使飞行时间加倍，且涡旋结构提升升力，指向进化选择性状。
2025-08-07 physics.bio-ph 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
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
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
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
An improved aerodynamic model for quasi-steady simulations of animal flight at moderate Reynolds numbers
本研究通过实验与数值方法，建立了适用于中等雷诺数动物飞行的改进准稳态气动模型，验证了其在鸽子和蝙蝠前飞模拟中的准确性，为扑翼机器人设计提供了关键依据。
2025-03-20 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
Vorticity Confinement and TVD Applied to Wing Tip Vortices for Accurate Drag Prediction
涡量限制（VC）方法与总变差减小（TVD）方案一起使用，以减少可能的过限制，并应用于机翼边缘脱落的翼尖涡，以便使用远场积分来预测诱导阻力。最佳VC参数首先通过应用于2-D涡来确定，然后通过应用于由3-D机翼脱落的尖端涡来确定。采用尾流积分技术对三维无粘模拟进行后处理，以确定升力诱导阻力。计算了VC参数与飞行马赫数和迎角的关系。对二维涡和三维机翼产生的诱导阻力进行了网格收敛研究。VC与TVD minmod和微分通量限制器一起使用，以评估它们对VC方法的影响。最后，将VC方法与雷诺应力方程湍流模型相结合，并将计算结果与叶尖涡演化的实验数据进行了比较。
2020-02-29 physics.flu-dyn
Artificial Hair Sensor Placement Optimization on Airfoils for Angle of Attack Prediction
提出一种稀疏传感器布置优化算法，在翼型上以少量传感器实现高精度攻角预测，误差小于0.1度，排名前1%，适用于飞行感知控制。
2023-12-21 physics.flu-dyn
A trade-off between hydrodynamic performance and morphological bias limits the evolution of symmetric lattice animal wings
本文通过自动化自由落体实验和遗传算法研究对称格点动物翅膀形态演化，发现水动力性能与形态熵之间的竞争导致昆虫翅膀形状难以收敛到唯一最优解。
2025-02-04 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
Cicada: a Heavy but Agile Flyer
“Cicada：a Heavy but Agile Flyer”是提交给2011年APS-DFD流体运动画廊的流体动力学视频。与其他昆虫相比，蝉可以产生更高的升力来克服它们庞大的体重。这种隐藏的机制可能有助于设计携带大型有效载荷的微型飞行器（MAV）。然而，关于蝉如何利用翅膀完成各种飞行的研究文献还很缺乏。本文利用高速摄影测量系统和三维曲面重建技术，揭示了机翼在自由前飞过程中的运动和变形。气动性能的研究使用内部沉浸边界法基于计算流体动力学（CFD）求解器。
2011-10-31 physics.bio-ph physics.comp-ph 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
