Weis-Fogh机构

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第170页（2413字）

是一种与常规不同的产生升力的机构，由英国生物学家T．Weis-Fogh首先发现而得名。

他在1973年观察一种蜂科类昆虫的飞翔运动时，发现“振翅拍击和挥摆急动”而产生升力的新机构。它不仅能产生更大的升力，并能瞬时地产生升力，不像普通机翼那样存在Wagner效应(即升力产生的滞后现象)，还有极好的机动性和启动性。

1973年，T．Weis-Fogh从生物学角度提出一种产生升力的“振翅拍击和挥摆急动”的机构后，同年，流体力学大师Lighthill敏感地意识到它的涵义，立即从流体力学角度论述了升力产生的新机理。

假设小黄蜂在“振翅拍击和挥摆急动”过程，两翅拍击在一起为a；然后两翅张开绕尾缘旋转为b，空气进入空隙；两翅张开到一定角度后，两翅分开挥摆急动为c；接着开始下一次拍击。遂通过一简化的刚性模型：依两翼板旋转张开－分开－闭合如a、b、c给出模拟。根据无粘性二维流动理论研究，Lighthill获得该运动机构产生的速度环量的计算公式。当最大张开半角α=60°时，求得在两翼张开过程中能产生的速度环量值Г=0．69ΩC2，其中C为翼板弦长，Ω为两翼旋转角速度。

Maxworthy(1979)通过刚性机构试验，证实了Weis-Fogh和Lighthill的一些基本提法，还进一步指出粘性效应对两翼张开时产生前缘分离涡的重要作用，使之比理想流体无分离涡时产生更大升力，其速度环量一直增加到张开半角α=150°时，且有。

Haussling(1979)应用N-S方程，数值求解了Weis-Fogh机构张开过程中瞬时流线和等涡线，示出了流动图象。

Edwards和Chang(1982)根据Lighthill的思路，在计算两翼板张开过程中，加入一个集中涡以代表实际前缘分离涡，计算结果升力增加，并获得与Maxwarthy试验相符的数据。

J．C．Wμ和Hu-Chen，(1984)也作出类似结果。

Spedding和Maxwarthy(1986)通过可视化流场观察和瞬时升力的测定，进一步证实Weis-Fogh机构的平均升力系数(基于翼梢平均速度表示)可达7～8之高。

人们早就怀疑根据一些昆虫的翅翼，如果按常规的升力理论产生升力，往往不足以支持其自身重量和推进其飞行，这些昆虫正是使用了不同的机理来产生升力才有了可能。

自Weis-Fogh揭示了一种产生空气动力学升力的新机构后，在开展其机理研究的同时，探讨其实际应用显然有重要意义。

S．B．Furber和J．E．Ffowcs Williams(1979)首先提出在透平机械中能否利用Weis-Fogh效应的问题，他们通过对轴流压气机转子和静子的叶片之间相互作用的理论分析和试验研究，证实了在很强的转子和静子两组叶片相互作用所引起的Weis-Fogh效应，能改进压气机的性能。

设想利用Weis-Fogh机构来设计船舶推进装置也已提出，日本神户大学TsutaHara和Kimura(1987)他们模仿WiseFogh机构的船舶推进器，将两个推进翼在双体船之间作周期性开启和闭合运动，通过理论和模型试验，测量其产生的推力和它的阻力，当两翼板开启角为30°，翼的横移运动速度与船速之比为0．5时，可获得高达75%的推进效率，全过程平均效率大约53%，已呈现进一步研究的前景。

目前，人们对Weis-fogh机构的机理并没有完全揭示清楚，需要有进一步的发展，特别在应用方面，虽然已给我们一些启迪，但还远有潜力。可以预料，Weis-Fogh效应必将会有更多方面被人类所利用。

根据以上综述可知，当前这一领域研究的热点将有：(1)结合Weis-Fogh机构的运动，开展非定常运动机翼流体动力学研究，对其全过程全面揭示其流体动力特性和诸参数(如翼板开启和闭合角速度、角加速度、翼板脱开后速度和角速度以及全过程“振翅－拍击”的频率等等)影响的规律；(2)应用于改进飞机空气动力学设计方面，特别在飞行机动性上研究；(3)应用于船舶推进方面，特别是浅水推进方面将会有大的作为；(4)在其他工业部门的广泛应用。

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【参考文献】：

1 Weis-FoghT. Journal Exp Biol, 1973,59:169～231

2 Lighthill M J. Journal of Fluid Mech, 1973,60:1～ 17

3 Maxworthy T. Journal of Fluid Mech,1979,93:47～63

4 Edwards R H, Cheng H K. Journal of Fluid Mech, 1982,120:463～473

5 Spedding G R, Maxworthy T. Journal of Fluid Mech,1986,165:247～272

6 Tsutahara M, Kimura T. Journal of Fluids Engineering,1987,109(2):107～113

(武汉交通科技大学王献孚教授撰)