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第四届全国非定常空气动力学学术会议——论鸟类高超飞翔的秘籍

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发表于 2018-10-2 17:02:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
论鸟类高超的飞翔秘籍 ——羽毛的气动布局 王升宏 (华兴公司 安徽合肥 231600) 摘要:众所周知,羽毛是大自然最神奇的杰作之一,是鸟类所独有的飞行工具;同时,它也是鸟类区别其它飞行类生物如昆虫、蝙蝠等的重要特征。鸟类正因为有了羽毛的帮助,所以即使在体重远超出其它飞行类生物的条件下,却依然可以自由、高效地翱翔蓝天。羽毛这种神奇的作用源于其本身的精细构造,它是大自然根据空气动力学而精心编织的结果,其内部运行机制和作用机理过程极为严谨、科学;同时,它也是鸟类在亿万年进化过程中,为了适应其飞翔而发生的一系列“联适应”的具体表现。根据最新的研究结果表明:羽毛结构的微观气动布局设计,即在羽枝之间的沟槽的羽片上,其表面的微观层面所产生的物理吸附作用力-范德华力(VanderWaalsforce)与“微渗透挤压效应”(Micro osmotic squeeze effect)在特定的结构中对气体的方向性挤压所产生的驱动力的相互作用,才最终揭示了鸟类高超飞翔的奥秘本质。 关键词: 羽毛;气动布局 On the superb flying secret of birds — pneumatic layout of feathers Sheng Hong Wang (hua xing co., LTD Anhui hefei 231600). Abstract:It is well known that feathers are one of nature’s most miraculous masterpieces as birds’ unique flying technique; as well as a vital feature to distinguish birds and other flying species such as insects and bats. With the assist of feathers, birds are able to hover freely and efficiently in the blue sky in spite of their bodies much heavier than other flying creatures. The miraculous effect of feather originates from its own fine structure. It is the result of careful weaving of nature according to aerodynamics, and its internal operation mechanism and action mechanism are very rigorous and scientific. At the same time, it is also the specific performance of a series of "couplet adaptation" that birds have evolved in the evolution of hundreds of millions of years in order to adapt to their flight. A recent research shows that the design of micro pneumatic layout of feather’s structure, on the surface of the pinnas in between the gap of ramus, its micro-level generated physical absorption force-Van der Waals force interacting with driving force created by “Micro osmotic squeeze effect” affecting air with directional extrusion, finally reveals the esoteric nature of birds’ superb flying skills. Key words: feather; Pneumatic layout 0、引言 自古以来,人类就向往着蓝天、白云,憧憬着有朝一日能够象鸟儿一样自由自在地翱翔天空。为此,人们进行了长久的、坚持不懈的奋斗和实践。中国春秋时期就有人试图制造能飞的木鸟。15世纪意大利的达芬奇绘制过扑翼机的草图。1930年,一架意大利的扑翼机模型进行过试飞。此后出现过多种扑翼机的设计方案,但由于控制技术、材料和结构方面的问题一直未能解决,扑翼机仍停留在模型制作和设想阶段。 2013年,科技公司 Festo的科学家研制出的一款既能够模拟鸟类飞行也能够极逼真地扑动翅膀的机器鸟,称之smartbird。研究称扑翼形式无法让飞机产生向上动力,但是该类鸟飞行器可以像真正的鸟儿一样起飞降落,也算是扑翼机的终极之作。美国等国外的众多大学和研究机构也都对扑翼飞行进行过深入的分析和研究。比如在 DARPA的资助下一些国外的研究机构,近年来对于其有关的研究取得了一定意义上的成果。目前美国在这方面的研究总体上处于世界比较领先的水平。较典型的微型扑翼飞行器有加利福尼亚理工学院研制的" Microbat"和斯坦福研究中心(SR)研制的" Mentor"。其次还有美国乔治亚理工学院“Entomopter"微型扑翼飞行器、荷兰Deft大学的“Def"微型扑翼飞行器和以色列航空工业公司的“机械蝴蝶”等。 中国国家自然科学基金委工程与材料科学部副主任王国彪在关于仿生机器人的研究现状中提到:南京航空航天大学非定常涡格法的计算及据此制作的实验样机;北京航空航天大学的昆虫飞行理论研究以及给出的理论分析数据,都表明了中国在关于扑翼飞行机器人的领域,也做了大量的研究工作。 综上所述,尽管世界各国的科研人员一直致力于扑翼机的研究,但是到目前为止,人类并没有制造出一款真正意义上的载人扑翼机。这到底是为什么呢?难道扑翼机就是个伪命题?但是大自然的飞行生物却又明确地暗示我们扑翼机是可以实现的,只是我们没有找对研究的方法而已。正如华南理工大学机械和工程学院陈亮博士认为:飞行生物的这种优异性能 ,人类目前还无法模仿,还有大量隐藏在其后的原理、规律没有被人们所认识。针对目前国内外扑翼机研究的窘状,本论文从最新的角度认为:目前人们研制扑翼机之所以不成功其根本原因在于没有新的空气动力学理论支撑,而采用了传统的稳态空气动力学理论。其具体表现为:他们采用了各种机械结构的传动及不同尺寸的选择来制作扑翼机,但是却无一例外均采用了膜状翅膀,此点是制作扑翼机的最大误区。 我们知道:人类目前已实现了各种各样的飞行器,比如固定翼、旋翼和滑翔机等,但是它们都是在高雷诺数下飞行,气动效率低下,同时其飞行技能又显得笨拙,不够高超灵活且耗能巨大。相比较而言,自然界所有的飞行生物都无一例外的采用了低雷诺数的高效飞行方式。由此看来人们要研制一款真正意义上的扑翼机,首先必须要设计和构建低雷诺数的扑翼气动面(气动布局),而不能泛泛的采用高雷诺数的膜状翅膀。自然界的鸟类也正是根据非定常空气动力学新理论“微渗透挤压效应”,从而在亿万年的进化过程中产生了羽毛并飞入了蓝天。所以,我们很有必要深入的研究和了解这种飞行奥秘,同时更加有信心、有智慧来熟知它,设计它;希望有朝一日能够将这种技术运用到我们现有的飞行器设计上,并最终实现人类飞行器的高超、高效飞行。 1、羽毛的具体结构 根据鸟类学知识以及在显微镜下观察可知:首先,飞羽和尾羽皆由羽轴、羽枝、羽小枝和羽小钩等构成。其中飞羽的羽枝在羽轴的两侧呈不对称分布状态。这种结构的目的,为了增强鸟扑翼的支撑力以及降低不必要的过多重叠,并以此来增加其气动面积。鸟类尾羽因无需这种太强的支撑力,因而此羽轴两侧的羽枝通常表现为对称分布状态。其次,飞羽和尾羽的羽枝皆紧贴在各自羽轴的上表面而整齐有序的排列着,并且都呈现出一定的锐角分布。这样的结构特征,才能符合鸟类在飞行中的阻力最小化的流线型设计需求。同样在羽枝两侧分别长出的羽小枝和羽小钩,它们也是整齐有序的分布在羽枝的上表面,且两相邻羽枝之间的羽小枝和羽小钩,则是通过勾状连接而形成为具有弹性的羽片。这种共同分布于各自所属附体的上表面的结构特征,从而使羽轴、羽枝和羽片共同构成了一个一端开口的有方向性喷射气流的沟槽。这种沟槽的结构尺寸:羽枝之间的间隔约为0.5mm左右,沟槽的深度为其宽度的1/4至1/5之间。此种尺寸的结构设计,既能够很好的对气流进行束缚作用,又能够使鸟儿在飞行中得到阻力最小化的最佳平衡状态。此点可根据微平面结构的空气阻尼特性分析实验报告加以理解、说明。另外,羽小枝和羽小钩的基部其实是由更细的带毛刺和弯曲的刚性纤维交织构造而成。在飞羽中,羽小枝之间是通过这种单层刚性纤维的网格状结构而形成的微槽相连接。这种渗透率极高的微槽,此渗透动压的方向性与其所在的沟槽结构的方向性一致,羽小钩基部的结构特征也是如此。再者,在羽片的构造中,羽小钩的勾状部分则有不同于羽小枝和羽小钩基部的结构特征,它们之间没有用这种纤维的网格状结构来相互连接,彼此皆为单根粗壮纤维的结构形式,且相互间隔较大。在这种结构中;当鸟类在快速拍打翅膀时,位于羽枝之间的沟槽内,大气的压力将增大。此时,随着羽小枝在羽小钩上所产生的弹性位移、扩张,此处的缝隙会迅速扩大;从而以此来配合气流的导入,降低雷诺数,最大限度地提高气动效率。而鸟类尾羽中的羽片结构,其特征与飞羽有着很大的不同,羽小枝之间的结合不是以微槽的形式存在,而是将微槽分隔成数个微坑的结构模式;羽小钩基部的结构形式也是如此。此种以微坑形式的结构目的:当微坑内的微孔发生渗透挤压时,由于此类动压效应而引起的喷流方向与来流的方向相反,因此,作用于尾羽上的气流则表现为升力和阻力(刹车)的特性。 2、羽毛的气动布局 2.1依据 我们人类生活的这个星球——地球,它被一层厚厚的大气所包裹着。在这层大气中,由于气体分子间存在着间隙,因此当它们在受到地球重力场作用时,越贴近地球表面,气体分子的密度越大。根据气体的属性可知:它们是由许许多多的单个分子组成的,每个气体分子的质量和体积都很小,并且分子间由于电子云的同极性而存在着很大的排斥力;同时,每个气体分子都在自由的做无规则热运动——布朗运动。因此,从这层稠密的大气层来看,分子相互之间是具有弹性的挤压在一起,并且它们具有各自的灵活自由性。这就是我们俗称的无孔不入、无缝不钻的大气压的本质所在。地球上的鸟类在长期的飞行进化过程中,它们正是根据大气的这种无孔不入的属性,从而逐渐的将翅膀进化成全面的微孔型,其微孔的尺寸约为0.5μm~1μm之间,以此来满足在发生渗透挤压时的技术特性需求。其具体过程:当鸟类在拍打翅膀时,部分空气分子或分子团将从微孔渗透逃离,于是在大气压力的作用下,其周围相邻的空气分子或分子团,由于没有了前面分子的排斥力,此时它们会克服相互之间的斥力迅速的聚拢和挤压过来。这种聚拢和挤压而形成的原动力,在特定的气动布局结构中,即形成了鸟类飞翔所必需的推力和升力。 2.2依据 根据自然界四种基本作用力之一的弱相互作用力,任何固体表面对于与其接触的气体和液体分子都有引力吸附的作用,其比表面积越大,吸附力则越强。这种吸附力,我们称之为物理吸附力——范德华力(VanderWaalsforce)。其吸附性质为:吸附时不需要吸附热的参与,吸附瞬时即可完成。这种吸附与脱附互为可逆过程,吸附时,孔内分子扩散速度较慢,吸附平衡需要的时间较长;并且这种吸附的动态平衡较为脆弱,容易受外界压力和温度的变化而迅速的改变。吸附等温线在低相对压力时,P/P0就急剧上升,呈现一个较大的吸附量,为Ⅰ型等温线。鸟类羽毛正是根据物理吸附的这种性质,从而将羽片上的羽小枝和羽小钩的基部进化为全面的纤维网络化构造模式,以此来增大其比表面积,从而最大限度的对撞击气流产生大的物理吸附量作用,并最终为鸟类的飞行提供了动力来源。 3、实验分析 3.1微孔表面方向性涡格渗透决定外部气流运动方向 根据羽毛的结构可知:羽片是羽小枝和羽小钩通过勾状连接而形成的具有弹性的结构组织薄片,它与其两边的羽枝和相对应的部分羽轴共同构成了有方向性的喷射气流的沟槽。在这种沟槽中,我们通过实验分析得出:喷射气流的动力来源于羽片上微孔表面的规则方向性微槽(涡格)渗透挤压而产生的动压效应。这种因渗透挤压而产生的内部气流的方向性运动,可根据简析新理论“微渗透挤压效应”以及浙江大学白少先的文献—表面微孔的规则方向性决定外部气流运动方向的实验分析来理解、说明。此实验中论述:表面微孔的方向性可以改变表面流体的流向,在孔区末端的汇聚挤压形成明显的流体动压效应。这种论述与本文中羽毛的微槽因渗透挤压而产生的有方向性的动压效应结论是一致的,即方向性微孔对气流的导向等同于微槽对气流的导向。再者,根据羽片表面的微孔结构的规则方向性不同,沟槽喷射气流的方向也是有所不同。在观察实验中,飞羽的羽小枝之间是通过这种渗透率极高的单层纤维的网格状结构所形成的微槽相连结。此种微槽的结构方向与其所在的沟槽结构方向一致,相对应的羽小钩基部结构也是如此。这种微槽内的网格状孔径约为500纳米~1000纳米之间,处于物理吸附中的“纳米微孔高压现象”所属的力学范畴内。因而,当发生微渗透挤压时,规则方向性结构的微槽所产生的动压效应必然决定外部气流的运动方向,从而也就产生了鸟类飞翔所必需要的推力。在鸟类的尾羽中,因羽片表面的微观结构与飞羽的结构有所不同。它是由分布于羽片上众多的微坑代替了有规则方向性的微槽。由于微坑的方向性与来流的方向相反,因而,尾羽对气流的作用效果则表现为:当尾羽表面水平于气流方向运动时,气流作用于羽片表面的压力不大,因而表现为具有一定的升力性质,鸟类正是以此来保持在飞行中身体的前后平衡;而当尾羽的表面与来流方向相撞击时,即尾羽表面与来流运动方向不处于水平状态而存在一定夹角时,此时则表现为大的阻力或刹车的性质,这也就是一些飞行极快的鸟儿如军舰鸟、游隼等在需要减速的时候,能够迅速降速的本质原因所在。 3.2信鸽实验: 大家不妨来做个试验,以此来验证此种效应力与正常膜状力的差别。先准备好透明胶带和一只飞鸟(如信鸽),后裁剪出与飞鸟的飞羽形状一样的胶带,然后粘贴在飞鸟一侧或两侧飞羽的正面或反面上,当确保飞鸟的翅膀伸缩自如后即可放飞实验。此时,飞鸟会倾向于粘贴胶带的一方倾斜而不能正常飞行后跌落。于是,它再次调整好姿态飞行,也不过飞越数米高就跌落下来不再飞了,当它被撕下胶带后则即刻恢复了正常飞行。总结鸟类的扑翼飞行有如下气动力学特征:沟槽状喷射气流大于沟槽的升力气流,当对沟槽内的微槽进行众多微坑形式的设置,此时的喷力将锐减,升力将大增。 4、羽毛的运行机制和作用机理过程 综上所述,羽毛气动布局的运行机制和作用机理的具体过程:当鸟类在拍打翅膀时,气流将撞击翅膀的表面。由于羽毛的羽片是羽小枝和羽小钩基部的纤维网络化构造而成,比表面积很大,因而进入沟槽内的气体分子将最大量化的被物理吸附力所吸附压缩。此时,这种被压缩的空气虽处于动态的吸、脱附过程中,但吸附速度明显大于脱附速度,因此是一种弱的弹性势能的储能过程。在这种过程中,随着运动的进行,物理吸附将很快得到饱和状态而不再吸附更多的气体分子。此时,这种状态表现为脆弱的吸、脱附动态平衡状态,它很容易受到外界气压和温度的变化而迅速改变。在这种吸附中,产生动压效应的气压层很薄,能量弱小,因此它只能满足于小的、轻的飞行类生物的飞行需求,例如蝴蝶翅膀的鳞粉吸附、昆虫和蝙蝠翅膀的纤毛吸附等等。然而,对于鸟类这样大的飞行生物来说,这种泛泛的吸附力则显然不能为它们提供足够大的用来飞行的推力和升力。如果在此类吸附过程中,能够同时伴随着把这种因大量吸附而产生的弹性势能转变为动压能量的持续释放;那么,当鸟类在拍打翅膀时,则只需要这种四两的拍打力就可以产生因物理吸附而形成的千斤的升力和推力。我们通过研究发现:鸟类正是因为巧妙的运用自然界这种固有的作用力来协助飞翔,所以它们才具有这种高超、高效的技术表现。那么这种因物理吸附而产生的相对薄弱的弹性势能(静能量)是如何转变为强劲有力的推力和升力的呢?我们现在就根据简析新理论“微渗透挤压效应”和“压力梯度”-△P/△L或dP/dL的理论知识并结合羽毛的具体构造来详细的分析、说明。 首先,根据简析新理论“微渗透挤压效应”可知:当气体受压流过孔穴时,根据压力=压强*受力面积公式得出:在孔穴口处会产生挤压现象。此时,这种因挤压现象而产生的挤压力,即为启动压力梯度力。在这种梯度力的作用下,微槽内众多微孔将被打开而进入渗透状态。这时部分空气分子或分子团将从微孔内渗透逃离,于是其周围相邻的空气分子,由于没有了前面逃离分子的排斥力,此刻,它们会克服相互间的斥力迅速的聚拢和挤压过来。这种迅速聚拢和挤压的运动力,从而束缚和引导了那些因物理吸附而正在发生脱附过程中的高压气体的运动方向,并在羽片表面的微槽内产生有规则方向性的动压气流,进而最终决定外部沟槽气流的运动方向。其次,再用压力梯度的理论知识对羽毛的这种结构进行气动力学分析可知:当鸟类在拍打翅膀时,气流将撞击羽片的表面,此时的物理吸附量将大增。由于吸,脱附是互为可逆的过程,因而脱附也将随之增大。在脱附时,气体是从高压向低压的扩散过程,且气体扩散时所具有的全方位特性,因而从压力梯度的角度来看,此种压力梯度很大,不利于脱附时这种高压气体的聚拢、收集。鸟类羽毛的这种沟槽状结构,正是为了减小压力梯度,从而对脱附时的高压气体进行收集、聚拢,使其气压层变厚,并最终为鸟类的飞行提供了充足的动力能源。由此可知,在羽毛这种气动布局的构造设计中,喷射气流的动力来源于沟槽内羽片上的持续的物理吸附力(范德华力)的作用。此种吸附力正常情况下处于一种吸、脱附平衡的相对静能量状态,因此它只能提供泛泛的、弱小的升力和推力。当采用一种可以引导气流持续进入其吸附力场范围内并且被施以吸附作用力的方法或措施时,那么就能够打破这种吸附时的饱和状态,从而使自然界固有的作用力(范德华力)能够持续的被发挥作用起来;于此同时,再对这种被吸附压缩的气体进行聚拢、收集,那么这种运行机制和作用机理过程就能够把压高、量小的静态吸附力改造为持续、实用的动态推力或升力了。羽枝之间的沟槽状结构以及羽片上的微坑及微渗透孔穴正是根据这样的要求来具体设计的并最终形成的结果。 5、羽毛气动布局的意义 根据羽毛这种结构的气动布局原理,我们可以把它设计成一种能够承受力的刚性的气动面。在这种气动面上,比表面积大的纳米微孔刚性薄片代替了功能型的羽小枝和羽小钩,从而构成了这种气动面的基本元素单元。其次,再通过设置类似羽枝一样构造的从而能够形成束缚气流的沟槽,它们之间由弹性结构相连接;并且根据不同气流的撞击速度从而进行相应的弹性系数选择,这样就可以得到我们所需要的气动布局的结构面了。 这种气动布局的结构面可以安装在固定翼或旋翼面的下表面。当发生微渗透时,气流可以从翅膀后缘的上下面的交接处所设置的倾斜式阀门口流出。在起飞和降落时,可以打开气流阀门,这样就能够得到在低速时产生很大的升力;当飞机在高速前进时,这种阀门是可以关闭的。同样这种气动面也可以用来制作扑翼机的翅膀及大阻力的降落伞;在风力发电领域,它也可以制成这种气动效率高的风力叶片等等,总之,这种结构的气动力学原理,将为人类开辟了空气动力学的全新领域,从而为人们未来研制更高级的飞行器提供了技术上的支持。 6、结语 自然界万事万物的发展运动皆遵循这样的规律——即有果必有其因。如果就某些事物的发展和运动的规律,我们还无法解释其现象时,那么肯定是受到一些理论知识体系的局限所至。例如,本论文中论述的鸟类高超飞翔的奥秘,人们无法用现有的定常空气动力学理论来解释,用非定常空气动力学的理论来解释也不尽完美。其实,这是受到现有的理论框架体系的局限约束,从而未能弄清楚客观世界中鸟类真正的飞行奥秘的原因所在。所以,只有当人们在不断地进行创新研究,并且适时构建一些新的理论体系时,才有可能最终圆满解释那些目前仍不被认知的,困惑着人们的事物运动规律。在本论文中,正是运用简析新理论“微渗透挤压效应”以及结合人们已熟知的物理吸附知识,才最终彻底的解释了鸟类高超飞翔的气动力学的奥秘。 参 考 文 献 [1]刘大中,王锦,物理吸附与化学吸附[J],齐鲁工业大学学报自然科学版,1999(2):22-25 [2]王学敏,气体在微孔材料中的吸附现象的研究,《华北电力大学(河北)》-2008- [3]张丽,流体分子在微孔材料中的吸附与扩散行为研究,《浙江大学》-2008- [4]李林安,左洪盛,李鸿琦,龚亮,纳米微孔高压现象[A],庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会2007论文摘要集[下][C];2007年-天津大学机械学院 [5]王升宏,简析新理论“微渗透挤压效应”--以动物羽毛为例,《科技创新导报》--2015年31期42-43页,华兴公司 [6]白少先,彭旭东,李纪云,孟祥铠,方向微孔表面动压效应实验研究,浙江大学; 《中国科学:技术科学》,2011,41(3)79-82 [7]刘增华,李芾,傅茂海,卜继玲,空气弹簧的刚度及阻尼特性研究,《机车电传动》,2005(4):16-19 作 者 简 介 王升宏,男,汉族,1971年10月9日生,中国安徽肥东县人。任职于安徽省合肥华兴公司,电话:18655101408,邮箱:3293462372@qq.com
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