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
Effect of aspect ratio on the propulsive performance of tandem flapping foils
在这项工作中，我们描述了纵横比（AR）的最佳相位的性能的影响，相同的扑翼鳍在串联配置。在中等雷诺数下，对七组单翼和串联翼进行了三维模拟，并进行了推力产生、垂荡-俯仰耦合运动学分析。增加细长度（或展弦比- AR）被发现，以改善推力系数和推力增加，但好处趋于更高的AR值。另一方面，推进效率没有显示出显着的变化与增加的AR，而后翼优于单由一个小的利润。进一步分析涡结构的展向发展和传播，使我们能够获得一些见解的机制，这些尾流相互作用，并提供有价值的信息，为新型仿生推进系统的设计。
2021-12-21 physics.flu-dyn
Flapping dynamics of a compliant membrane in a uniform incoming flow
本研究通过数值模拟探究均匀来流中拍动柔性膜的推进性能，明确了拉伸系数等参数的最优值，揭示了推力产生机制，并基于现有标度律得到了推力与功率系数的预测方法。
2025-07-31 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
Hydrodynamics of tandem flapping pectoral fins with varying stroke phase offsets
我们展示了如何在高冲程振幅下串联仿生鳍扑动之间的相位调节尾鳍推力产生和尾流特性。测力传感器推力测量结果表明，后鳍产生的推力比前鳍多25%，当它落后于后者的四分之一周期，并执行8%，当它领先于前鳍相同的数额。使用二维粒子图像测速测量和三维计算流体动力学模拟来分析负责这些观测的鳍之间的流动相互作用。速度的分布阐明了不同相位偏移时尾翼上诱导的有效流动的变化。涡结构的相互作用和颗粒耙揭示了前鳍脱落的前缘和后缘涡在调节后鳍前缘吸力方面的贡献。此外，尾流结构远下游的一致性，轴向和径向的程度的变化，为不同的相位偏移。这些发现是相关的设计和性能优化的各种无人水下航行器，利用这种串联系统。
2020-10-26 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
Effect of Chordwise Flexibility Distribution on Wave-Assisted Flapping Foil Performance
University of Michigan（密歇根大学）
本研究探究弦向柔性分布对波浪辅助拍动翼性能的影响，通过实验揭示全柔性构型提升推进效率、中柔性构型提升推力的规律，为波浪驱动无人水面航行器设计提供物理指导。
2026-08-10 physics.flu-dyn
Collective locomotion of two-dimensional lattices of flapping plates
本文研究了不可压流场中矩形和菱形格点拍动板在雷诺数为O（10- 100）时的推进特性。我们改变五个参数：拍打幅度、频率（或雷诺数）、板之间的水平和垂直间距以及迎面而来的流体流速度。在流向方向上紧密排列的格子在相邻的板之间产生强烈的涡流偶极子。当这些偶极子在临界流速下从上游方向切换到下游方向时，晶格从产生阻力急剧过渡到产生推力。在这些转变附近，流动呈现出各种周期性和非周期性状态，有或没有上下对称性，并且可以出现多个稳定的自推进速度。随着流向间距的增加，板可能会脱落撞击下游相邻板的典型涡流尾流。由于横向间距小，矩形网格产生净阻力，而菱形网格可能产生净推力，有时效率很高。随着横向间距的增加，矩形网格开始产生推力，最终效率略高于菱形网格，因为这两种类型的网格流会聚。在Re = 70时，时间周期格子流的最大弗劳德效率约为孤立板的两倍。在较低的Re下，网格的效率优势增加，直到孤立的扑动板不再产生推力。在小间隙和大流向间距的限制下，分别在两种情况下，板之间的小间隙和Poiffille-like流动，可以估计产生格子流所需的平均输入功率。对于这两种晶格，随着横向间距变大（并发生推力），平均输入功率饱和。在小的横向间距下，当板重叠时，菱形晶格的输入功率可能大得多，导致弗劳德效率降低。
2020-07-28 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Effect of combined heaving and pitching on propulsion of single and tandem flapping foils
在这项研究中，我们提出了两个和三维的数值研究，以了解从0到1变化的无量纲升沉幅度和俯仰幅度从0到30范围内的推进性能的单一和串联箔系统在雷诺数1100和减少频率0.2的综合影响。首先，我们提出了一个系统的分析推力的产生，由于运动参数的单翼。强调了有效迎角和翼片投影面积在解释升力和阻力动力学及其与推进力关系中的重要性。接下来，我们调查的流向间隙和运动学参数之间的关系，对串联翼型系统的推进。我们发现，推进性能强烈依赖于上游尾流与下游翼相互作用，以及由于翼之间的间隙相互作用的时间。通过控制体积分析，时均压力和流向速度已被调查，以解释运动参数的水动力的影响。通常在文献中，尾流中射流的形成被归因于推力的产生。然而，在这项研究中，我们强调和显示的意义，时间平均的压力，在尾流除了流向速度（射流）预测的推力。研究的结论是一个三维演示的串联箔，以了解可能的三维效果，由于大振幅扑翼和尾流箔的相互作用。
2022-05-26 physics.flu-dyn
Hydrodynamics of Flapping Foils Undergoing Irregular Motion with Application to Wave-Assisted Propulsion
针对拍动翼不规则运动水动力学研究不足的问题，通过模拟不同海况下椭圆形波浪辅助推进翼的流动，发现不规则运动比能量等效正弦运动推力更大，弹簧式俯仰限制优于角度限制，并揭示了推力增强机制，为WAP系统设计优化提供依据。
2025-10-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Transitions in the wake of a flapping foil
利用二维粒子图像测速技术（PIV）对流体动力风洞中翼型拍动产生的涡街进行了实验研究。根据扑动频率-振幅相空间进行分析，可以确定：1）从著名的Bénard-von Kármán（BvK）尾流到表征推进尾流的反向BvK涡街的过渡，以及2）这种反向BvK模式的对称性破缺导致非对称尾流。我们还表明，从一个BvK唤醒反向BvK唤醒的过渡之前，实际的阻力-推力过渡，我们讨论的意义，目前的研究结果在分析扑翼系统的性质。
2008-01-25 physics.flu-dyn
How shape and flapping rate affect the distribution of fluid forces on flexible hydrofoils
本文研究了柔性鳍模型在水流中振动时的流固耦合问题。在这里，我们调查特别是水动力分布鳍的几何形状和扑动频率的依赖关系。为了这个目的，我们采用国家的最先进的技术在压力评估描述流体力地图与高的时间和空间分辨率上的变形表面的水翼。采用粒子跟踪测速技术（PTV）测量三维流体速度场，并基于纳维-斯托克斯方程计算流体动应力张量。鳍状翼片的形状和运动学与它们有效地产生推进推力的能力以及外部接触力的积累和在整个扑翼周期中产生的内部张力有关。
2021-04-22 physics.flu-dyn
Stabilizing effect of flexibility in the wake of a flapping foil
在低速水动力风洞中，通过柔性翼俯仰振荡尾流的实验，研究了翼弦向柔性对扑动推进动力学特性的影响。我们比较的情况下，一个刚性的箔和箔的灵活性抑制的对称性破缺的反向Bénard-von Kármán唤醒后的政权过渡。动量平衡计算表明，柔性翼片的平均推力比刚性翼片的平均推力大三倍。我们通过分析近尾流中的涡动力学来解释这两种观测结果。
2012-07-30 physics.flu-dyn
Deflected Wake Interaction of Tandem Flapping Foils
已知对称扑翼即使在零平均迎角下也能产生高频振幅组合的偏转射流。这减小了没有侧力的有用推进配置的频率范围。在这项研究中，我们数值分析这些偏转射流的相互作用串联扑翼经历耦合垂荡俯仰运动在一个二维域。研究了扑翼Strouhal数、翼型间距和相位对尾流干扰的影响。我们的主要发现是，后翼能够抵消尾流偏转和前翼的平均侧向力，即使位于下游5个弦长处。这是通过吸引传入的偶极子和干扰其凝聚力的范围内的背箔的扑动运动。我们还表明，对周期平均推力的影响从高增强到阻力产生取决于尾流模式下游的后翼。这些发现为仿生串联推进器的设计提供了新的见解，因为它们通过操纵脱落涡流的大小来扩展其工作范围和快速增加或降低前进速度的能力。
2020-08-17 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
Wake and aeroelasticity of a flexible pitching foil
在风洞中对柔性翼型在不同来流速度下的俯仰振动进行了实验研究。基于弦的雷诺数在1600- 4000的范围内，这样系统的动力学就由惯性力控制，并且翼片后面的尾流表现出基于扑翼推进的反向Bénard-von Kármán涡列特性。粒子图像测速（PIV）测量进行检查周围的箔流，同时也跟踪箔的变形。翼片振动的第一固有频率在探索的扑动频率范围内，确定弹性翼片变形和旋涡脱落之间的强耦合动力学。为了识别相干流结构，对PIV数据应用了基于小波变换的降阶模型。通过分析翼片运动学，并使用控制体积计算相应速度场的平均阻力，我们确定了最佳的扑翼结构产生推力。我们发现，推进力峰值发生在无量纲频率移动相对于弹性共振，标志着最大后缘振荡幅度。推力峰值更好地解释了尾流共振，我们使用经典的流体动力学稳定性的平均推进射流剖面的工具检查。
2022-06-03 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
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
Fluid-structure interaction of multi-body systems: Methodology and applications
提出了一种计算多体系统流固耦合问题的方法。使用具有Uhlmann [J.Comput Phys.209（2005）448]提出的浸没边界方法的分步方法来求解流体流动方程。使用Felis [Auton.机器人41（2017）495]。这两个系统的方程是弱耦合，使所得到的方法是成本效益。该方法的准确性证明了从文献中的二维和三维的情况下比较：一个灵活的机翼，自推进的暴跌的柔性板，和自由流中的旗帜的拍打。作为所提出的方法的能力的说明，两个三维生物启发的应用程序：扩展到三维的暴跌柔性板和一个简单的模型的蜘蛛气球。
2022-01-20 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
Undulatory underwater swimming: Linking vortex dynamics, thrust, and wake structure with a biorobotic fish
Institut Universitaire de France (IUF)（法国高等研究院）
研究通过生物仿生鱼实验，揭示了涡旋动力学、推力生成与尾迹结构之间的关系，建立了基于斯特劳哈尔数的通用模型。
2025-01-16 physics.flu-dyn
Flow speed has little impact on propulsive characteristics of oscillating foils
本文报道了二维翼型在水槽中作连续和间歇运动时的俯仰和垂荡性能实验。我们发现，推力和功率是独立的平均自由泳速度的两倍的变化的平均速度（四倍的动态压力），和振荡的速度高达38\%的平均值，振荡的目的是模仿那些自由游泳运动的推力变化在扑动周期。我们证明了正确的速度尺度不是流动速度，而是后缘的平均速度。我们还发现流向速度变化对尾流特性（如涡流组织、涡流强度和时间平均速度剖面发展）的影响很小或没有影响--尾流在定性和定量上都没有变化。我们的研究结果表明，恒定速度的研究可以用来使强大的结论，而不需要探索自由游泳条件下的游泳性能。
2018-01-16 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
Hydrodynamic interactions of low-aspect-ratio oscillating panels in a tip-to-tip formation
本研究通过数值模拟和水洞实验，首次三维表征了低展弦比振荡板在尾对尾构型中的流体动力学相互作用，发现同相运动可显著提升推力，反相运动可降低功耗，为垂直层叠推进器提供了参考数据集。
2025-06-27 physics.flu-dyn
