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
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
Fluid-structure interaction using volume penalization and mass-spring models with application to flapping bumblebee flight
昆虫在飞行过程中，由于受到惯性力和气动力的作用，翅膀会产生较大的变形，翅膀的柔性对昆虫的气动性能起着至关重要的作用。这些力来自昆虫复杂的翅膀运动学。本研究以大黄蜂为研究对象，同时考虑机翼结构动力学与扑翼运动，探讨机翼变形对系留飞行中大黄蜂气动效率的影响。为此，采用了一个流体-结构耦合求解器，将柔性机翼的质量-弹簧模型与求解不可压缩纳维-斯托克斯方程的伪谱代码耦合起来。我们首先考虑一只拴着绳的大黄蜂，它有柔性的翅膀，在层流中飞行。与刚性模型相比，柔性机翼产生更小的气动力，但需要更少的动力。最后，将大黄蜂模型置于湍流中，研究了湍流对柔性机翼力产生的影响。
2020-07-17 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
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
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
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
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
Thrust augmentation of flapping airfoils in low Reynolds number flow using a flexible membrane
采用高阶Navier-Stokes方程与非线性薄膜结构模型耦合的方法，研究了二维薄膜翼型在预定简谐运动下的非定常气动推力和气动弹性响应。膜预应力和弹性的影响进行了检查参数选定的暴跌和俯仰暴跌运动在弦为基础的雷诺数为2500。惯性膜载荷的重要性，从规定的扑翼也评估纯暴跌运动。本研究比较了柔性与刚性薄膜翼型的周期平均气动载荷，并强调了涡结构和突出的流体-薄膜相互作用，使更有效的扑翼推力生产在低雷诺数流动。
2018-10-17 physics.flu-dyn
Scaling laws for the sound generation of bio-inspired flapping wings
针对受生物启发扑翼的发声标度律研究空白，基于势流理论与Ffowcs Williams-Hawkings声学类比提出悬停扑翼发声标度律，经数值模拟验证吻合良好，可助力微型飞行器的气动与声学协同设计。
2024-09-17 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 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
In vivo recording of aerodynamic force with an aerodynamic force platform
扑动的翅膀使飞行动物和仿生机器人能够产生更高的空气动力。证明这种能力的测量是基于机器人和动物的拴系实验，以及基于自由飞行期间测量的运动学或气流的间接力计算。值得注意的是，在自由飞行过程中，还没有直接测量这些力的方法。这种在自由行为的动物体内的记录对于更好地理解它们扑翼的精确空气动力学功能是必不可少的，特别是在下冲程与上冲程期间。在这里，我们展示了一种新的空气动力平台（AFP）的非侵入式空气动力测量在自由飞行的动物和机器人。该平台用物理控制表面包围产生流体力的动物或物体，该物理控制表面机械地整合传递到地球的净空气动力。通过对纳维-斯托克斯方程的直接解析解，验证了该方法的准确性。随后，我们验证了该方法与四轴飞行器是悬浮在AFP和非定常推力剖面。这些独立的测量证实AFP确实是准确的。我们证明了AFP的有效性，通过研究空气动力学重量支持的自由飞行的鸟在体内，这表明，它的上升是不活跃的。
2014-09-01 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
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
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
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
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
Patagium and tail morphology shape aerodynamic performance and control authority in gliding-mammal-inspired wings
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
通过计算流体动力学研究滑翔哺乳动物翼膜和尾部形态对升力、阻力、失速及控制能力的影响，发现不同形态存在气动权衡，为仿生飞行器设计提供指导。
2026-07-03 physics.bio-ph 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
Aerodynamic Forces on a Wing Surfing in a Two-dimensional Vortex Wake
Brown University（布朗大学）
本研究通过风洞实验，利用PIV和力测量技术，揭示了二维涡旋尾涡中翼板的气动力变化规律，结合经典不稳定性气动学理论，有效预测了升力波动相位。
2025-12-09 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
Spanwise Control Authority of Synthetic Jets on a Stalled Airfoil
University of Toronto（多伦多大学）；University of Toronto Institute for Aerospace Studies（多伦多大学航空研究院）
研究低频和高频合成喷嘴控制策略对NACA 0025翼型气动效应的影响，分析流场稳定性及展向控制能力变化。
2024-06-21 physics.flu-dyn
Flapping strategies for flying formations
University of Oxford（牛津大学）
研究通过分析振翅策略对飞行编队稳定性与能耗的影响，发现特定振翅相位和间距可实现能量效率与动态稳定的平衡。
2026-01-19 nlin.AO physics.bio-ph 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
Lift Enhancement by Dynamically Changing Wingspan in Forward Flapping Flight
伸展和收缩翼展在鸟类和蝙蝠的飞行中被广泛观察到，其对气动性能特别是升力产生的影响是有趣的。提出了一种简单的仿生动力变形翼模型，即翼展呈正弦伸缩的矩形平板扑翼。采用浸入边界法对参数空间中的低雷诺数扑动变形翼绕流进行了直接数值模拟。结果表明，在一个扑动周期内动态改变翼展可以显著提高机翼的瞬时升力系数和时均升力系数。升力的增强不仅是通过改变升力面面积来实现的，而且还通过操纵产生涡升力的流动结构来实现。通过研究扑翼周围的三维流动结构，探讨了升力增强背后的物理机制。
2013-09-11 physics.flu-dyn
Helical vortices generated by flapping wings of bumblebees
高分辨率的旋转和扑翼大黄蜂翅膀的直接数值模拟和空气动力学的研究，重点是前缘涡的作用和相关的螺旋度的生产。我们首先研究了大黄蜂单翼在$45^{\circ}$迎角下作圆周运动时产生的流动。然后，我们考虑一个模型大黄蜂飞行的数字风洞，这是拴在一起，并有刚性的翅膀拍打与规定的通用运动。风的流入条件从层流到强湍流状态变化。大规模并行模拟表明，流入湍流不会显着改变机翼的前缘涡（LEV），这增强了升力的产生。最后，我们重点研究了生成的涡旋的螺旋度，并使用正交小波分析了它们在不同尺度上的贡献。
2018-03-20 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
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
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
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 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
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
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
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
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
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
Modeling the Aerodynamic Lift Produced by Oscillating Airfoils at Low Reynolds Number
本文以Strouhal数St为控制参数，对NACA-0012翼型在1,000雷诺数Re下的绕流进行了数值模拟。非定常力的时间分布，升力和推力，以及它们的频谱分析清楚地表明，该解决方案是一个周期-1吸引低Strouhal数。研究结果表明，机翼下俯产生的气动力与机翼的初始运动条件无关，证明了极限环的存在。振荡升力中存在的频率由较高Strouhal数的基波（fs）、偶次谐波和奇次谐波（3fs）组成。利用数值模拟，脱落频率（f_s）被观察到几乎等于激励频率在所有的情况下。采用改进的vanderPol振子模型模拟了翼型下倾产生的非定常升力。利用多尺度方法和稳态CFD解的谱分析，估计了van der Pol振子模型中的频率和阻尼项。我们证明了这个模型的适用性，所有的平面运动的翼型;暴跌，俯仰和扑动。目前提出的模型的一个重要方面是捕获气动升力系数的时间平均值。
2014-12-11 math.DS physics.flu-dyn
Lift Evaluation of a 2D Flapping Flat Plate
一些先前的实验和理论研究已经表明，翼型或机翼上的前缘涡（LEV）可以提供升力增强。本文采用非定常二维势流理论对平板翼扑动流场进行了数值模拟。采用多涡模型模拟了前缘和后缘涡，与在每个分离位置仅使用单个涡相比，该模型具有更高的精度。升力是通过对非定常Blasius方程积分得到的。结果表明，涡的运动对平板上的总气动力有显著的贡献。TEV的脱落和LEV的稳定明显有助于升力增强。对于大迎角情况，采用类似库塔的条件来确定前缘处的涡强度和位置;然而，对于小迎角情况，建议放宽该条件，并采用二维剪切层模型来计算新增加的涡的环量。然后将模拟结果与典型非定常平板问题的经典数值、模型和实验数据进行比较。观察到与这些数据的良好一致性。此外，这些结果表明，小迎角的前缘涡脱落应不同于大迎角的前缘涡脱落。最后，涡运动与升力的结果表明，无论是反流向的LEV和TEV的流向运动的运动有助于正升力。这也为未来MAV的主动流动控制提供了见解，即LEV和TEV的形成和脱落过程可以被操纵以提供升力增强。
2012-12-31 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
Predictive Criteria for Electrospray-Assisted Droplet Dynamics in Aerodynamic Flow Fields
本文耦合 OpenFOAM RANS 与降阶拉格朗日粒子模型，模拟气动流场中带电液滴轨迹，并提出逆流临界电场预测准则及控制权限图。
2025-09-15 physics.flu-dyn
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
A computational study of the aerodynamic forces and power requirements of dragonfly Aeschna juncea hovering
研究了草菇悬停飞行时的气动力产生和机械动力需求。采用了在移动重叠网格下数值求解纳维-斯托克斯方程的方法。在一个扑翼周期内，有两个较大的垂直力峰值。一个是在周期的前半部分，这主要是由于后翅在它们的下冲程;另一个是在周期的后半部分，这主要是由于前翅在它们的下冲程。在大行程平面角悬停时，机翼利用阻力作为其重量支撑力的主要来源（总垂直力的约65%由阻力贡献，35%由机翼的升力贡献）。机翼的垂直力系数是准定常值的两倍。前后翼之间的相互作用不是很强，不利于垂直力的产生。与单翼作相同运动的情况相比，干扰效应使作用在前、后翼上的垂向力分别比相应的单翼减少14%和16%。大的垂直力是由于非定常流效应。非定常力的机理是，在后翼或前翼的每一次下冲程中，产生一个新的含有向下动量的涡环，从而产生一个向上的力。体质量比功率为37 W kg-1，主要由气动功率贡献。
2004-04-08 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
On the parametrisation of motion kinematics for experimental aerodynamic optimisation
昆虫、鸟类、鱼类甚至一些水生无脊椎动物所表现出的敏捷性和飞行或游泳性能，往往远远优于在相同条件下运行的最先进的人类工程车辆。这种优越运动的关键是动物通过对它们的运动运动学的最优控制来操纵涡流的产生和脱落。与生物和生物启发推进相关的许多研究工作集中在理解运动运动学对推进性能的影响以及优化运动学以提高效率或机动性。当对移动通过流体的物体的运动学进行数值或实验优化时，首先要解决的挑战之一是运动学的参数化。在本文中，我们提出了三种不同的方法参数化运动学，使用一组控制点，连接样条插值，有限傅立叶级数，和降阶模态重建的基础上适当的正交分解的一组随机行走轨迹。我们比较的结果和性能的不同参数化的例子的实验多目标优化的机器人扑翼装置的俯仰运动学。使用遗传算法进行优化，目标是最大限度地提高行程平均升力和效率。随机创建的初始种群的多样性，优化的收敛行为，以及最终的帕累托阵线与其相应的适应值方面的性能进行评估。
2021-10-14 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
On the turbulent wake of the actuated fluidic pinball: dynamics, bifurcations and control authority
Universidad Carlos III de Madrid（马德里卡洛斯三世大学）；Spanish National Institute for Aerospace Technology (INTA)（西班牙国家航空航天技术研究所）；Shenzhen University（深圳大学）
研究通过实验和数值方法探讨了流体弹珠在大激发范围下的湍流尾涡动力学，揭示了其三维激发流形和新的低频分离状态。
2026-02-16 physics.flu-dyn
Bees with attitude: the effect of gusts on flight dynamics
在小尺度上飞行是一项复杂的任务，部分原因是空气中无处不在的不稳定空气。飞行生物使用主动和被动控制机制来控制它们的身体运动。扑翼生物体的姿态与其合成的飞行轨迹和性能有关，但很少有人了解离散的非定常空气动力学现象如何影响这种系统的交织动力学。在这项研究中，我们研究了自由飞行的大黄蜂受到一个单一的离散阵风模拟空气动力学干扰的性质。大黄蜂是空中领域的专家指挥官，因为它们持续在复杂的地形元素中觅食。诸如花朵之类的物理障碍物会产生代表典型阵风的局部效应，从而威胁到复杂机动的精确控制。通过跟踪蜜蜂在阵风中飞行的3D动态，我们确定了在三种干扰条件下允许飞行的运动序列。蜜蜂重复执行一系列被动的冲动演习，然后主动恢复演习。在每个阵风方向上，脉冲运动都是独特的，纯粹通过被动操纵身体来保持控制。蜜蜂在每次扰动中恢复的开始阶段都会上下起伏，然后采取纠正措施，使它们的态度恢复到原来的状态。蜜蜂在侧向阵风的作用下位移最大，表现出较大的侧向平移和滚转偏差。向上的阵风更容易让蜜蜂飞过，只会造成轻微的飞行变化和最短的恢复时间。向下的阵风严重损害了蜜蜂的控制反应，造成强烈的不利力量，急剧打乱轨迹。蜜蜂在每次干扰中飞行时都使用了有趣的控制策略，为昆虫规模的扑翼飞行和生物启发的机器人系统提供了新的见解。
2018-02-10 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Flying in Two Dimensions
昆虫行为的多样性和专业化是无与伦比的。昆虫通过跳跃、行走、奔跑、跳跃、划船、游泳、滑翔和飞行来在各种环境中推动自己。我们在Waterlilly甲虫\emph{(Galerucella)}中发现了一种不寻常的二维空气动力飞行推进模式。成年甲虫，经常发现在水百合池塘，推动自己严格在一个二维平面上的水面上通过扑翼飞行。在这里，我们分析了这种特殊的飞行模式的空气动力学与飞行过程中施加在生物体上的力。2-D飞行的复杂性是通过考虑在3D飞行中施加在昆虫身体上的重力、推力、升力和阻力之外的附加力来捕获的。理解这种受约束的推进模式需要考虑粘性阻力、表面张力、浮力和毛细波阻力。此外，在2D与3D飞行中合力的大小存在显著差异。在这里，在这个流体动力学视频中，我们通过运动学和无量纲分析讨论了这种不寻常的2D飞行模式，将其与3D飞行进行比较，并总结了理解昆虫飞行起源的经验教训。
2011-10-16 physics.bio-ph physics.flu-dyn
The impact of turbulence on flying insects in tethered and free flight: high-resolution numerical experiments
扑翼昆虫是非常敏捷的飞行者，适应高度动荡的环境。我们提出了一系列高分辨率的数值模拟大黄蜂与湍流来流相互作用。我们考虑系留和自由飞行，后者的所有六个自由度耦合到纳维-斯托克斯方程。为此，我们改变湍流入流的特性，改变湍流强度或湍流动能的谱分布。排除了主动控制，以便量化真实动物在其反应时间延迟期间表现出的被动反应，然后才能适应翅膀跳动。与层流入流条件相比，修改湍流强度对循环平均气动力、力矩和功率没有显著影响。然而，随着湍流强度的增加，气动观测值的波动显著增加。改变湍流扰动的积分尺度，同时保持湍流强度不变，表明如果积分尺度小于机翼长度，则力和力矩的波动水平显著降低。研究表明，环境湍流中尺度相关的能量分布是影响飞行昆虫控制其身体定向的相关因素。
2019-01-29 physics.flu-dyn
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
Bistability in the rotational motion of rigid and flexible flyers
我们探讨了悬停飞行的旋转稳定性。我们的模型的动机是一个实验性的圆形物体和一个计算性的圆形模拟被动悬停在振荡气流中，这两个系统已被证明在自由飞行过程中保持旋转平衡。在这里，我们把这个巨大的飞行器固定在它的顶端，让它像钟摆一样自由旋转。我们发现飞片具有稳定的下凹和上凹行为。重要的是，对于一系列背景流特性，向下和向上配置是可互换的并且共存。我们解释了这种双稳态的空气动力学起源，并将其与在其基础上振荡的倒立摆的惯性引起的稳定性进行比较。然后，我们让传单被动地通过引入一个旋转弹簧在其顶点。对于刚性弹簧，柔性减小向上稳定性，但随着刚度减小，通过拍动引起向上稳定性的新转变。最后，我们评论这些发现的生物和人造飞机的影响。
2017-09-26 physics.bio-ph physics.flu-dyn
