基于前缘马格努斯效应的扑翼能量捕获机制研究与效率优化

本文通过动态网格法与相对坐标系数值模拟，系统研究了旋转圆柱体诱导马格努斯效应（Magnus effect）对扑翼能量捕获性能的影响。研究发现：优化间隙宽度、转速比（rotational speed ratio）和相位差可使NACA0015翼型能量捕获效率相对提升7.2%，其机制源于圆柱体诱导流场对吸力面涡脱落（vortex shedding）时序的调控，从而扩大升力（lift）和俯仰力矩（pitching moment）的时空贡献。研究为低雷诺数（Re）环境下高效能量捕获装置设计提供了新思路。

　　

Highlight

本研究采用瞬态数值模拟技术，结合动态网格和相对参考系方法，揭示了前缘旋转圆柱体关键参数（包括间隙宽度、转速比和相位差）对马格努斯效应扑翼能量捕获效率的调控机制。通过分析流场演化规律，发现圆柱体诱导的速度场能显著改变吸力面近壁区涡旋（vortex）的形成与脱落时序，从而在更广时间跨度内提升升力与俯仰力矩的协同贡献。

Results and discussion

针对周期性运动的扑翼，研究发现：

1. 1.

   间隙宽度（gap width）存在最优阈值（1-5mm），过大会削弱圆柱体与主翼的流场耦合效应；

2. 2.

   转速比（rotational speed ratio）提升会延迟流动分离，但过高转速（>3倍来流速度）会导致阻力（drag）急剧增加；

3. 3.

   相位差（phase difference）调节可实现涡旋脱落与翼型运动的动态匹配，最佳相位使能量捕获效率峰值提升12%。

Conclusions

该研究为振荡流系统中马格努斯效应的应用提供了新范式，特别在低风速/浅水环境中，通过优化前缘旋转结构参数，可突破传统涡轮机的效率瓶颈。未来研究可结合柔性变形（flexible deformation）与主动控制策略（active control）进一步挖掘性能潜力。