使用附着式双膜结构对D形钝体进行流动控制

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Flow control of D-shaped bluff bodies using attached dual membranes

D形钝体双柔性膜被动流控机制研究：数值模拟揭示膜长刚度对涡脱落及气动特性的影响规律，发现接触式振动模式（l*=2.0, k*=0.01）可使平均阻力系数下降23.0%和升力标准差降低92.6%，周期式无接触振动模式（l*=1.75, k*=0.1）亦表现显著性能提升。研究系统构建了流固耦合分析框架，明确膜动态特性与流动结构演化间的关联机制。

　　本文研究了通过双柔性膜被动控制的D形钝体的流场与气动性能。尽管使用可变形结构进行被动流控制具有广阔的前景，但这种特定的配置在以往的研究中尚未得到充分关注。为此，我们系统地探讨了控制参数，如膜长度和刚度，对尾涡动态和力特性的影响。研究结果表明，与未控制的钝体相比，安装刚性膜能够显著降低时间平均阻力系数以及根均方升力系数。控制效果随着膜长度的增加而提高，主要体现在延迟流分离和抑制涡旋脱落方面。在非刚性配置中，具有优化柔性的膜表现出更优异的气动效益，这是由于不同的流体-结构相互作用机制，这些机制依赖于膜的动态拍打行为。

在研究的参数空间中，我们识别出三种不同的拍打模式：混沌拍打、接触拍打和周期拍打。每种模式都表现出独特的运动行为和气动响应，这些因素对流控制性能产生重要影响。其中，接触拍打模式—由两个细丝之间的接触所定义—在非维膜长度为2.0、弯曲刚度为0.01的情况下，能够实现时间平均阻力系数的23.0%下降以及根均方升力系数的92.6%下降。周期拍打模式则以持续且规律的拍打运动为特征，没有细丝接触，也能带来显著的性能提升，在非维膜长度为1.75、弯曲刚度为0.1的情况下，能够实现时间平均阻力系数的17.3%下降以及根均方升力系数的53.8%下降。为了阐明这些现象的内在机制，我们对流场结构、压力场、膜运动和气动力组件进行了详细研究。

本研究提供了对D形钝体中三种不同拍打模式的首次系统性映射和分析，建立了这些模式与气动力和流场结构之间的明确联系。从本研究中获得的见解可能增强对被动流控制中流体-结构相互作用的理解，并为相关工程应用中的气动优化提供有价值的指导。通过双柔性膜的设计，我们旨在准确捕捉流场的动态行为，并系统分析在均匀来流中浸没的钝体的结构动力学。

D形钝体广泛存在于各种工程应用中，如桥梁、高层建筑和交通运输系统。围绕这些几何形状的流场通常表现出复杂的现象，如涡旋脱落、流分离和流致振动（FIV），这些现象对气动性能和结构安全产生重要影响。为了缓解这些不利影响，已经提出了多种被动和主动流控制策略，包括表面修改、吸气和吹气、合成喷气以及基于机器学习的闭环控制策略。目前，对D形钝体的流控制策略的研究具有很高的兴趣，因为这不仅具有实际应用价值，也具有重要的理论意义。在实际应用中，有效的流控制可以提升气动性能，包括阻力的降低和结构稳定性的改善。在理论上，这些研究加深了对涡旋动力学的理解，阐明了涡旋形成和抑制的机制，并推动了对流体-结构相互作用的认识，特别是在非稳态钝体流场的背景下。

多种被动流控制策略已经被探索，以减轻D形钝体相关的不利气动影响。其中，Park等人通过在上部和下部尾缘处放置微小的隔板，有效削弱了涡旋脱落，延长了涡旋形成长度，并扩大了尾涡区域。同样，Parezanovi?和Cadot使用微型辅助圆柱体来局部扰动剪切层，导致涡旋脱落频率的改变、基底压力的升高以及横向速度的改善。这些观察结果与Thiria等人和Han等人的早期研究结果一致，进一步验证了局部被动控制策略的有效性。尾缘的几何修改也显示了巨大的潜力。Lorite-Díez等人发现，引入尾缘空腔可以抑制主涡旋的增长，减少回流区域的范围和涡旋形成长度，并稳定尾涡。这些效果有助于显著降低时间平均阻力和波动升力。Pastoor等人进一步报告称，这种空腔设计可以将阻力降低超过25%。这些实验结果得到了Yang等人数值研究的支持，他们研究了一种波浪尾缘结构，并发现这种结构增强了边界层扰动和剪切层破坏，从而抑制涡旋脱落并实现显著的阻力降低。

主动流控制策略也被广泛用于操纵D形钝体的尾涡动力学。Li等人表明，通过在上部和下部尾缘处施加共流零净质量通量喷气，可以有效抑制涡旋脱落，并将阻力降低约5%，而反流配置则增加了阻力。等离子体驱动也被证明在改变尾涡结构方面非常有效。Chen和Wen的研究显示，对称布置的等离子体驱动器可以抑制流分离，减少回流区的尺寸，并显著降低尾涡中的湍流动能，从而实现时间平均阻力和波动升力的大幅降低。Shaqarin等人通过利用尾涡压力作为反馈的闭环Coanda喷气驱动，发现不连续喷气能够将阻力降低高达40%。基于类似的驱动方式，Zhang等人采用遗传算法优化喷气参数的Coanda脉冲喷气，通过促进主流吸入和抑制大尺度涡旋形成，实现了基底压力的最高43%提升。尽管主动方法提供了精确和灵活的控制，但其依赖外部能源和复杂的控制基础设施，给实际应用带来了挑战。相比之下，被动方法—由于其结构简单、运行成本低以及易于集成—仍然是现实工程应用中的有吸引力的替代方案。

先前的研究已经证明了柔性膜在调节气动作用力方面的潜力。在我们之前的工作中，我们提出了一种控制概念，该概念通过将柔性膜附着到有限长度的方柱体上，将主动控制的适应性与被动系统的简单性相结合。我们观察到了两种不同的膜行为：一种是具有有限气动影响的静态变形模式，另一种是周期拍打模式，该模式实现了显著的平均阻力（约5%）、波动阻力（约25%）和波动升力（约60%）的降低。最近，Mu?oz-Hervás等人研究了具有柔性和刚性细丝的D形钝体的尾涡结构。他们的研究结果表明，这些附加工件可以延迟流分离，增加基底压力，并通过将回流区向下游移动，减少非稳态气动载荷。除了钝体之外，基于膜的流控制技术也被成功应用于机翼的气动和噪声控制，以及其它能量收集装置。

大多数先前的研究集中于柔性膜对圆形和方形柱体的影响，而对D形钝体的研究仍然有限，缺乏系统性的探索。由于其独特的尾涡结构和气动特性，D形钝体与柔性膜的相互作用与圆形或方形柱体有所不同。因此，有必要进行一项全面的研究，以揭示双柔性膜在D形钝体上的独特流控制机制和潜在的性能优势。为了解决这一问题，本研究采用数值方法对具有不同长度和刚度的双尾缘柔性膜的D形钝体的气动性能进行了系统研究，旨在阐明气动性能调节的内在机制。本研究首次对具有双柔性膜的D形钝体的拍打模式、气动特性、流动力学和力分析进行了系统性映射，为相关工程应用提供了有价值的参考。