利用DITECT相机进行更准确的蝴蝶飞行动力学研究

利用DITECT相机进行更准确的蝴蝶飞行动力学研究蝴蝶飞行是一种复杂的现象，翅膀拍打产生的气流和蝴蝶本身的运动错综复杂地交织在一起。蝴蝶空气动力学的许多元素还没有被理解，即使是在基本运动方面。我们对蝴蝶（Pieris rapae）的起飞运动进行了测量，并使用反映其运动的计算模型进行了数值模拟。蝴蝶的计算模型由一个胸部、一个腹部和四个翅膀（左右翅膀有前部和后部）组成，即一个六连杆的刚体系统。目前的模型比现有研究中构建的任何模型都要复杂。在蝴蝶模型中，身体轨迹和胸部俯仰角可以根据运动方程计算，而腹部角度和翅膀的关节角则由测量数据规定。我们使用浸没边界-晶格玻尔兹曼方法计算了蝴蝶模型产生的流场、气动力和扭矩。因此，蝴蝶在下行程中产生水平涡环和空气动力升力，而在上行程中产生垂直涡环和气动推力。腿的冲击力是起飞蝴蝶向上运动的关键，而不是扑翼产生的空气动力学升力。腹部和翅膀的惯性力在大小上与空气动力相当，但由于身体和翅膀惯性的抵消，惯性力对蝴蝶位置的净影响并不显著。净空气动力学和重力力矩抑制蝴蝶的胸部，而净惯性力矩抑制胸部的上升。由神树大学工程系教授铃木浩介的一个团队用高速视频测量了蝴蝶的实际运动，并将其放入动作捕捉程序中，识别蝴蝶翅膀和身体上的特征点。基于这些数据的蝴蝶数值模型是尽可能准确地构思出来的。巧合的是，该模型使用实验室之前制定的一个简单模型，通过模拟再现了建议。蝴蝶模型比之前的研究更准确，证实了过去的建议。既然该小组已经阐明了蝴蝶如何产生力的最大份额，该小组想阐明蝴蝶在不失去姿态的情况下控制扭矩的机制。最终，该机制可以应用于微型飞行器的设计。采用高速相机（HAS-U2，DITECT）拍摄蝴蝶的起飞过程，并基于视频，通过运动物体跟踪软件（DIPP MotionV/3D，DITECT，）记录蝴蝶翅膀和身体上六个特征点的轨迹。来源：Kosuke Suzuki, Masashi Nakamura, Masaya Kouji, Masato Yoshino数值蝴蝶模型和实际蝴蝶运动之间的比较。模型与实际运动一致，表明构建了一个令人满意的模型。来源：Kosuke Suzuki, Masashi Nakamura, Masaya Kouji, Masato Yoshino数值蝴蝶模型周围的流动是通过浸入边界晶格玻尔兹曼方法计算的，流场是使用一个称为涡度的指数可视化的。模型的拍打会导致向下和向后的流动。来源：Kosuke Suzuki, Masashi Nakamura, Masaya Kouji, Masato Yoshino