大神运用CFD研究蚊子和苍蝇

weixin

　　苍蝇篇

　　苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，许多人认为令人望而生厌的苍蝇无论如何也不能与现代科学技术事业联系起来，但仿生学却把它们紧紧地联系在一起了。

　　苍蝇的翅膀后面有一对楫翅，飞行时每秒振动频率330次，可以自如地做各种形式的飞行并保持航向不变。它的飞行技巧，连目前最先进的飞机也望尘莫及。人们根据苍蝇的这种功能研制出“振动陀螺仪”，并开始设计一种高效能的“蝇式飞机”。

　　为什么我们能听到苍蝇飞行时嗡嗡的声音?

　　人的耳朵可以听到空气的振动，但这振动必须是在20~20000次的范围内，少于或多出这个范围就听不到了，苍蝇每秒翅膀的振动是147~220次，蚊子每秒是594次，所以你可以听到嗡嗡的声音，这是它们在飞行时翅膀振动的声音。

　　苍蝇的翅膀振动频率如此之高，就连高速摄影机也很难清晰的捕捉到其飞行的清晰画面。随着仿真模拟的技术不断发展，我们可以用软件来模拟出苍蝇飞行的过程。下面这个视频就展示了苍蝇在飞行过程中翅膀是如何挥动的。

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　　FLUENT动网格模拟的苍蝇飞行迹线图

　　苍蝇飞行原理
　　苍蝇飞行时，翅的运动包括上下拍击和前后倾折两种基本动作。翅的上下拍击，主要依靠背腹肌和背纵肌的交替收缩所造成。与翅基相连的前上侧肌、后上侧肌的交替收缩，分别拉动翅基的前上侧片和后上侧片，使翅面作前后倾斜活动。翅下拍时，其前缘向下方切入空气;翅上举时，其前缘向上方切入空气。这样，翅上下拍击一次，翅便沿自身的纵轴扭动一次。

https://v.qq.com/x/page/e13226bnot6.html?start=4

　　通过仿真模拟软件模拟出的视频中，我们可以更清晰的看到苍蝇在不前进而拍动翅膀时，翅尖成“8”字运动;前进拍动翅膀时，翅尖便造成—系列的开环运动。这个同样是用Fluent软件动网格模拟出来的网格图。

　　苍蝇的飞行是翅的拍击造成的，翅的拍击要有足够的频率和幅度，翅拍击造成的气流所产生的空气动力，可分成向前的推力，促成虫体前进和向上的升力，以抵消虫体的重力，使虫体能漂浮在空气中。翅的拍击和转动，将空气推向后方和下方，使苍蝇能在空中漂浮前进。苍蝇能改变翅拍击的斜度、幅度或频率，以便在飞行中转弯、倒退或停在空中。

　　为什么苍蝇能在危机时刻快速脱险?

　　每个人可能都有打苍蝇的经历，往往是苍蝇拍还没挥到，它早已飞离了这块“是非之地”了。苍蝇是怎样做到的呢?

　　科学家研究后发现，原来是翅楫在起作用。翅楫位于苍蝇的后翅位置，是后翅退化后形成的，形状与哑铃有些相似，它能使苍蝇往后“开倒车”，很快飞离“危险区”。它还能为身体导航，保持飞行方向，不致于在原地兜圈子。人们根据这个原理仿制了振动陀螺仪，这种导航仪现在已用于高速飞行的火箭和飞机，使飞机和飞行着的火箭的稳定性提高了。

　　蚊子篇

　　蚊子身上超小的蚊子翅膀可是具有极高的频率并且可以作为生物学的经典研究内容。没准以后人也可以靠人工翅膀飞行呢?

　　在生成CFD网格的过程中，我们从3个蚊子个体中抽取蚊子翅膀的结构并首先做成了面网格。翅膀的厚度我们给定弦长的1%。

　　蚊子身体我们手动通过相机画了若干个椭圆，然后通过立方样条生成蚊子身体的面网格。

　　a. 蚊子翅膀的几何结构;b. 蚊子翅膀的面网格;c. 蚊子身体的椭圆切片;d. 蚊子身体的面网格

　　CFD软件我们使用Liu Hao自己写的求解器，此求解器Liu Hao已经用于研究各种苍蝇飞啊飞!采用这个求解器的原因主要是可以采用重叠网格。

　　在上面那个面网格基础上，我们向体方向拓展，外部边界采用笛卡尔网格很简单就生成了。同时我们把蚊子切了一半!假定蚊子是对称运动的。翅膀的动网格每个时间步都更新。

　　从网格无关性分析可以看出来，我们做的网格足够好了。

　　e. 蚊子身体和翅膀附近组装的重叠体网格;f. 外围结构网格

　　翅膀很重要
　　蚊子离不开翅膀前缘生成的涡，这是一个非常重要的空气动力学现象，尤其在各种昆虫、鸟以及蝙蝠中大量存在。

　　翅膀前缘的涡主要用来通过非常小的翅膀来产生足够的升力，这对小蚊子、小鸟来说可是非常重要，当然我们没有一个飞机大的蚊子用来研究!

　　我们PIV的结果也表示，Culex蚊子翅膀每秒振动700次左右!幅度在35°-43°之间。这是据我们所知最小的振幅，大约要比其他飞行动物小一半左右(例如果蝇)。

　　a. CFD结果;b. PIV结果

　　云图显示的是无量纲涡量

　　结 论

　　蚊子有着独特的翅膀动力学特性 (wing kinematics)，我们采用计算流体力学的方法验证我们的实验数据，结果表明虽然蚊子翅膀周围是明显的分离流，然而用于支撑它体重的空气动力学产生的力，完全和其他任何飞行动物都不同。

　　翅膀前缘以及后缘的去程、回程运动，导致产生了前缘涡、后缘涡以及旋转阻力。前缘涡和后缘涡主要来自于攻角的快速转变，且对于振幅不敏感。

　　来源：ANSYS学习与应用微信公众号(ID：use_ansys)，原文来自CFD界。