《Aerospace》：Numerical Investigation of Coupled-Attitude Aerodynamic Characteristics of a Frigatebird-Inspired Wing in Marine Atmospheric Updrafts
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军舰鸟通过高效利用海洋大气上升气流实现卓越的长续航飞行，为低能耗仿生飞行器提供了宝贵的生物原型。现有研究大多关注均匀来流和单轴姿态，缺乏对上升气流环境中耦合姿态气动特性与流场机理的系统分析。本研究采用RANS/k-?? SST方法，数值研究了单独俯仰、俯仰-偏
军舰鸟通过高效利用海洋大气上升气流实现卓越的长续航飞行，为低能耗仿生飞行器提供了宝贵的生物原型。现有研究大多关注均匀来流和单轴姿态，缺乏对上升气流环境中耦合姿态气动特性与流场机理的系统分析。本研究采用RANS/k-?? SST方法，数值研究了单独俯仰、俯仰-偏航耦合和偏航-滚转耦合姿态下的洁净机翼与带机身仿军舰鸟构型。结果表明，上升气流效应表现出强烈的俯仰角依赖性：在?12°4°时，上升气流抑制了全展深失速并将失速角扩展超过8°，在翼尖附近升力增量最大可达220%。在俯仰-偏航耦合下，出现一个高效气动窗口，其具有物理意义的峰值升阻比为9.55。对于偏航-滚转耦合，滚转力矩从根本上由侧滑诱导的非对称分离泡驱动，而非由滚转角本身驱动，这一点得到了表面极限流线、壁面摩擦应力分布和速度矢量图的验证。仿生机翼还实现了接近椭圆形的展向升力分布，奥斯瓦尔德效率约为0.994。该研究为仿鸟类飞行器的气动设计、姿态控制及上升气流能量获取提供了关键支撑。
研究背景与意义：军舰鸟具备自然界中罕见的持续超远程不间断飞行能力，其在跨洋迁徙中单次连续飞行可超过2个月，累计航程超15000 km，且飞行时间90%以上为无动力滑翔，代谢能耗仅为同质量鸟类连续扑翼飞行的约3%。由于军舰鸟尾脂腺不发达、体羽疏水性差，一旦入海后气动性能会急剧恶化并导致死亡，因此其在整个迁徙周期内必须依赖海洋大气上升气流（包括热对流上升、地形与锋面动力抬升等）完成能量获取与巡航。然而，现有生物学研究多集中于飞行策略的宏观统计规律，尚未建立上升气流利用策略与机翼气动性能之间的定量关联；针对依靠上升气流热滑翔的军舰鸟机翼的仿生气动研究十分稀缺，海洋上升气流实测数据也极其有限，仅1954年有飞机穿入上升气流测得约2–6 m/s的上升速度。这些空白使得上升气流条件下军舰鸟仿生机翼的俯仰静稳定性、能量获取效率、失速边界及流动控制特性缺少系统量化研究与机理解释。为此，研究人员以可超远程不间断飞行的军舰鸟翅膀为仿生原型，采用计算流体力学（CFD）数值模拟，系统研究了其在海洋大气上升气流中的耦合姿态气动特性。该研究发表于《Aerospace》。
主要研究方法：研究人员采用基于k-??剪切应力输运（SST）湍流模型的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法；来流速度取15 m/s，海洋大气上升气流以叠加3 m/s垂直速度分量的方式模拟。洁净机翼采用C-H结构化网格，带机身-尾翼构型采用非结构多面体网格，均进行网格无关性验证，误差小于1%；同时使用Ty154标准模型验证了数值方法的可靠性。通过提取压力系数曲线、速度迹线/矢量、壁面摩擦应力系数和表面极限流线，定量分析升力、阻力、俯仰力矩、偏航力矩及滚转力矩系数。
研究结果：3.1.1 俯仰角对气动特性的影响：通过对比有无上升气流时俯仰角范围内的气动系数曲线发现，上升气流使升力曲线线性段斜率由0.0714增至0.0838，提升17.4%；在?12°4°后，上升气流抑制全展深失速并将失速角推迟超过8°，翼尖附近升力增量最大为220%。3.1.2 俯仰-偏航耦合姿态下的气动特性：通过构建升力、阻力、升阻比和偏航力矩系数随俯仰角与侧滑角变化的三维响应面发现，存在高效气动窗口，具有物理意义的峰值升阻比为9.55；负迎角下减阻明显且升力稳定，中等正迎角结合适当侧滑可增强升力；偏航静稳定性呈“稳定-失稳-再稳定”的非线性转变。3.1.3 偏航-滚转耦合姿态下的气动特性：通过对比单轴与耦合激励下的滚转力矩系数、压力系数分布、表面极限流线与壁面摩擦应力发现，滚转力矩主要由侧滑诱导的风上/风下翼非对称分离泡决定，而非滚转角本身；纯滚转时两侧机翼压力分布基本对称，加入侧滑后风上翼尖形成集中分离焦点，风下翼中段出现大尺度回流区，从而打破对称并产生显著滚转力矩。3.2 展向压力分布与上升气流气动调节机制：通过提取?6°、6°、15°三个典型迎角下多个展向截面的压力系数、速度迹线与壁面摩擦应力分布发现，负迎角下全展附着流维持，上升气流增强前缘吸力峰并优化展向升力分布；中等迎角下上升气流抑制初始分离，升力增量显著；大迎角下均匀来流出现全展深失速，而上升气流完全消除大尺度分离，使失速角扩大超过8°。仿生机翼展向升力分布接近理论椭圆分布，奥斯瓦尔德效率约为0.994，翼尖卸载同时将约3.3%的升力向内段转移，几乎不增加诱导阻力。
讨论与结论：讨论部分指出，上升气流的垂直速度分量等效增大了各翼剖面的当地有效迎角，强化前缘流动加速并向边界层注入额外动量，从而克服强逆压梯度、抑制流动分离；这种随迎角变化的流动控制是军舰鸟能够在负几何迎角下高效滑翔、在中等迎角下重载巡航、在大迎角下获得超高升力的核心机理。研究结论可归纳为：海洋大气上升气流的气动效应具有强烈俯仰角依赖性，在低迎角下实现减阻增升并优化展向载荷，在大迎角下抑制全展深失速；俯仰-偏航耦合存在高效气动窗口，偏航静稳定性呈非线性再稳定转变；偏航-滚转耦合中滚转力矩本质由侧滑驱动的非对称分离泡主导。上述发现阐明了军舰鸟高效利用上升气流实现超长续航飞行的核心气动原理，为低能耗仿鸟飞行器设计提供了理论指导。未来工作将扩展至非定常湍流上升气流、柔性机翼变形以及多体气动干扰问题。
