昆虫前飞的运动学观测及空气动力学和飞行力学研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11232002
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    300.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0903.空气动力学
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2017-12-31

项目摘要

The proposed project studies the flapping kinematics, aerodynamics and flight mechanics of representive insects in forward flight, using an approach that combines experimental observation and measurement, theorectical analysis and numerical simulation. The following items will be investigated: (1) measure wing-flapping parameters (flapping frequency, amplitude, wing angle of attack, etc.) in wind tunnel, at various flight speeds. (2) Based on numerical solutions of Navier-Stokes equations and vorticity dynamics theory, study the forward flight aerodynamic mechanisms and how power requirment changes with flight speed. (3) Based on the Floquet theory and averaged-model theory, analyse the dynamic flight stability and examine how flight stability changes with flight speed. (4) study flight control properties, including controlability, stabilization control, control from one flight speed to another. The study has potential applications in the development of micro-air-vehicles, and its results will also be very useful to biologists who study insects' comparative biology, neuro-biology, behavior, evolution, etc.
用实物观测、理论分析和数值模拟三者相结合的方法,研究典型昆虫在不同速度下前飞时的翅膀拍动运动学,气动力机制与能耗,及飞行动稳定性与控制。主要研究内容为:1)在风洞中定量测量翅膀的拍动频率、幅度、几何攻角等运动学参数,给出这些参数随前飞速度的变化规律;2)基于N-S方程数值解和涡动力学分析,探讨前飞气动力机制和能耗随飞行速度的变化规律;3)基于Floquet理论和"平均模型"理论,研究飞行的动稳定性,探讨稳定性特性随飞行速度的变化规律;4)研究飞行的控制特性(包括可控性,增稳控制,及改变飞行速度的控制),探讨其中的空气动力学、动力学和控制原理。研究结果可为研制微型飞行器提供新概念和新原理,可增加人们对自然界的了解。

结项摘要

本项目对昆虫前飞的运动学(翅膀的拍动运动),空气动力学(升力、推力与相应的能耗)和飞行力学(动稳定性与控制)进行系统的研究,为微型飞行器的研制提供新概念;为生物学家研究昆虫的比较生理学提供力学依据。取得以下成果:1)给出了蜂蝇和果蝇起飞时翅膀拍动和身体运动的运动学参数。发现两种起飞方式:蜂蝇起飞时没有跳跃,完全由翅膀的气动力提供起飞的举力,就像直升机那样。果蝇起飞时,主要是用腿的弹跳力提供起飞的举力,翅膀的拍动运动的主要作用是控制姿态。2)给出了果蝇和蜂蝇悬停时翅膀拍动的运动学参数。3)通过风洞中自由飞行观测,首次获得中等和大前飞速度下昆虫翅膀拍动的运动学参数。4)发现果蝇悬停时产生高升力的一个新机制:“下俯后快速上仰机制”(每次拍动开始,翅膀速度很低,快速下俯至十分小的攻角;然后,此时翅膀速度已较大,快速上仰,后缘处产生了很大的涡量,导致很大的涡量矩的时间变化率,从而产生高升力)。5)发现果蝇和蜂蝇大速度前飞时产生大推力的一个新机制:“划桨机制” (通过在短时间内在翅膀的前缘和后缘产生不同方向的新涡量,导致很大的涡量矩的时间变化率,从而产生高升力)。6)揭示了飞行需用功率随飞行速度的变化关系近似为“J”形曲线,而不像飞机的那样为U形曲线。7)揭示了飞行速度小时,飞行是不稳定的(因纵向和横向都有不稳定模态);中等速度下,飞行是近似为中性稳定的(因纵向和横向都有似为中性稳定的模态);大速度下,飞行是不稳定的(因纵向模态中有一个特征值十分大的不稳定发散模态)。8)揭示了飞行虽然是动不稳定的,但是可控的(通过反馈适当的控制参数,可实现稳定的悬停飞行,例如,反馈状态变量以改变拍动平均角或翅膀攻角,纵向的不稳定模态可得到有效的控制)。9)揭示了改变(增大)飞行速度的主要控制为,身体倾角减小同时拍动平面倾角增大;拍动平均角增加。

项目成果

期刊论文数量(23)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Power Requirements of Vertical Flight in the Dronefly
无人机垂直飞行的功率要求
  • DOI:
    10.1016/s1672-6529(14)60115-3
  • 发表时间:
    2015-04
  • 期刊:
    J. Bionic Eng.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    C. Shen;M. Sun.
  • 通讯作者:
    M. Sun.
Aerodynamics and vortical structures in hovering fruitflies
悬停果蝇的空气动力学和涡流结构
  • DOI:
    10.1063/1.4914042
  • 发表时间:
    2015-03
  • 期刊:
    PHYSICS OF FLUIDS
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Xue Kuang Meng;Mao Sun
  • 通讯作者:
    Mao Sun
Wing/body kinematics measurement and force and moment analyses of the takeoff flight of fruitflies
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2014-08-01
  • 期刊:
    ACTA MECHANICA SINICA
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Chen, Mao-Wei;Sun, Mao
  • 通讯作者:
    Sun, Mao
Aerodynamic effects of wing corrugation at gliding flight at low Reynolds numbers
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  • DOI:
    10.1063/1.4813804
  • 发表时间:
    2013-07-01
  • 期刊:
    PHYSICS OF FLUIDS
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Meng, Xue Guang;Sun, Mao
  • 通讯作者:
    Sun, Mao
Wing Kinematics, Aerodynamic Forces and Vortex-wake Structures in Fruit-flies in Forward Flight
果蝇向前飞行时的机翼运动学、气动力和涡尾结构
  • DOI:
    10.1016/s1672-6529(16)60321-9
  • 发表时间:
    2016-07
  • 期刊:
    JOURNAL OF BIONIC ENGINEERING
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Meng Xueguang;Sun Mao
  • 通讯作者:
    Sun Mao

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  • 通讯作者:
    王喆之
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    王军旗;李素循;孙茂
  • 通讯作者:
    孙茂

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

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本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

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关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
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AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
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          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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