7.8 模拟俯仰运动的实验结果和气动特性分析
本节将主要讨论各个条件下俯仰运动的推力特性。二维模型实验中俯仰运动的摆动原点定为NACA0014翼型的前缘。对纯俯仰运动，有y（t）=0，运动初始攻角0α=0，计算条件y（t）=0、u=5 m/s、c=0.064 m。为研究俯仰运动气动特性，本实验在扑动幅值分别为0θ=5°、0θ=10°、0θ=20°的情形下，分别加载f=20 Hz、f=180 Hz、f=170 Hz的扑动频率。幅值分别表示小幅扑动到大幅扑动，20 Hz频率模拟目前大部分MAV样机扑动频率，80 Hz模拟目前较高扑动频率的样机，而170 Hz模拟的是果蝇的扑动频率，部分昆虫扑动频率甚至还要更高，本节只模拟到 170 Hz。在各个幅值条件下加载上述扑动频率，产生足够多的尾涡后，得到如图7.14到图7.22所示的9个涡量云图。
图7.14 幅值5°、20 Hz时的涡量云图
图7.15 幅值5°、80 Hz的涡量云图
图7.16 幅值5°、170 Hz的涡量云图
图7.17 幅值10°、20 Hz的涡量云图
图7.18 幅值10°、80 Hz的涡量云图
图7.19 幅值10°、170 Hz的涡量云图
图7.20 幅值20°、20 Hz的涡量云图
图7.21 幅值20°、80 Hz的涡量云图
图7.22 幅值20°、170 Hz的涡量云图
由图7.14～图7.22可知，随着拍动频率的增加，尾涡逐渐变明显，并由单排变双排再变到“大涡吃小涡”的混乱情形，如20 Hz条件下几乎是单排涡，相邻的尾涡旋向不同，80 Hz条件下无论幅值如何都出现了双排涡。同时，幅值越大上下两排涡的分离度也越高。
首先，分别绘制幅值10°，频率为20 Hz、80 Hz和170 Hz的俯仰运动单周期内推力随时间变化曲线，分别对应图7.23、图7.24以及图7.25。可以看出，无论频率多大，推力曲线在一个周期内有两个峰值，20 Hz和80 Hz时曲线较为平滑，170 Hz的情况下推力曲线比较粗糙。由图7.23可知，20 Hz条件下推力仅在两个峰值附近大于零，更多的是阻力效果，对应图7.17中的单排涡；由图7.24可知，随着频率的增加，扑动频率为80 Hz时单周期内仅在翼的低速状态出现阻力情况，大部分时间产生推力作用，峰值约为1 N，对应逆卡门涡街状态。观察图7.25，扑动频率为170 Hz的条件下产生阻力的情形几乎没有，峰值约为5 N，高速扑动的条件下涡的状态十分紊乱，导致推力曲线粗糙，每次扑动刚脱落的尾涡会吞并前半周期脱落的尾涡，由图7.19可知没有规律的尾迹涡街。
图7.23 幅值10°、俯仰频率20 Hz时单周期推力曲线
图7.24 幅值10°、俯仰频率80 Hz时单周期推力曲线
图7.25 幅值10°、俯仰频率170 Hz时单周期推力曲线
其次，再绘制扑动频率为80 Hz，扑动幅值分别为5°、10°和20°的俯仰运动单周期内推力随时间变化曲线，对应图7.26中三条曲线。幅值为5°时产生推力效果不明显，图7.27为改变分度值后的推力曲线，由图可知0.1～0.4 T以及0.6～0.9 T时产生推力作用，上排涡和下排涡分离程度不高；幅值为10°时推力峰值约1 N，这时两排涡分离程度得到加强，产生推力效果更为明显；幅值为20°时的推力峰值接近5 N，但同时低速状态下也会有更大的阻力效果，上下两排涡明显分离，尾涡更容易分离。
图7.26 扑动频率为80 Hz时各个幅值对应单周期推力曲线
图7.27 幅值5°、扑动频率80 Hz时单周期推力曲线