柔性辅助结构（FASs）流动控制：减阻、抑振、增升、降噪与混合增强的机理、参数依赖及智能调控展望

《Biomimetics》：Flow Control with Flexible Auxiliary Structures: A Comprehensive Review

　　

柔性生物特征，如鸟类覆羽（covert feathers）和鱼鳍，可在无外部能量输入条件下实现显著的流动控制。受自然启发，利用柔性辅助结构进行流动控制近年来引起了广泛的科学兴趣。此类结构通过形态重构（morphological reconfiguration）和流动诱导拍动（flow-induced flapping）改变流场，从而调节流体与结构之间的能量交换。近期研究可归纳为五类主要应用：减阻（drag reduction）、振动抑制（vibration suppression）、增升（lift augmentation）、降噪（noise mitigation）和混合增强（mixing enhancement）。本综述综合并批判性评估上述五个应用领域中柔性辅助结构的现有研究，重点关注其潜在的流动控制机理；进一步分析弯曲刚度（bending rigidity）、几何尺寸（geometric dimensions）和安装位置（installation position）等关键参数对控制性能的影响；并提炼柔性辅助结构从理论研究向实际应用过渡所面临的主要挑战，展望其向智能控制系统（intelligent control systems）演进的前景。

1. 引言
自然界的柔性结构通过主动或被动柔性适应复杂流动，实现减载、尾流稳定、能量采集与环境感知。传统被动控制装置几何固定后难以调节，对来流方向和Re变化适应性有限；柔性辅助结构可在流体载荷下自适应变形并在无外部能量输入条件下动态调节流动，因此成为重要的被动流动控制途径。文章按减阻、抑振、增升、降噪和混合增强五类应用组织综述，并聚焦典型构型、控制机理、关键参数与未来方向。

2. 柔性辅助结构的典型构型
柔性辅助结构主要分为悬臂构型和屈曲构型。悬臂构型包括前缘夹持、后缘夹持和壁面安装三类，其一端固定、另一端在流体力作用下被动变形或拍动；屈曲构型通过预变形或几何约束保持非直初始形状，包括流向屈曲、横向屈曲和S形屈曲。控制参数主要为无量纲弯曲刚度K_B和质量比M_S。前缘夹持构型的失稳边界受K_B和M_S共同控制，后缘夹持与壁面安装构型则主要由K_B控制；屈曲构型还强烈依赖初始屈曲程度，并可在静态平衡、流向振荡和跳变振荡之间转换。

3. 减阻
3.1. 圆柱–柔性分流板减阻
柔性分流板（FSP）通过抑制圆柱两侧分离剪切层相互作用、削弱Kármán涡街、使涡形成区下游移动并提高背压来减阻。与刚性分流板（RSP）相比，FSP的自适应变形带来方向适应性，但其拍动会引入尖端涡并可能阻止涡脱完全抑制。
3.1.1. 单柔性分流板
单FSP长度l是关键参数：较长FSP可延长涡形成长度并降低压力阻力，但过长或过低K_B会诱发大振幅拍动并削弱减阻。长FSP（l/D>2）中，降低K_B可能破坏有利尾流；短FSP（l/D≤2）中，减阻随K_B非单调变化，最佳常出现在小振幅非对称拍动模式。安装角θ在后驻点附近最佳，θ增大减阻恶化；上游FSP可吸收部分湍动能，但其自由端暴露于来流，变形过强会增加阻力。
3.1.2. 多柔性分流板
多FSP可在较宽Re和几何参数范围内减阻，并通过相邻板尖端涡与卡门涡的相消干涉、低速“死水区”稳定和涡形成延迟提高背压。双FSP夹角α=90°时减阻常优于单FSP；板数n和间距d决定协同运动与稳定死水区形成，间距过小会限制运动并恶化减阻。中等K_B、适度自持拍动并与尾流锁频通常最有利；沿展向非均匀刚度（根硬梢软）可维持更稳定流线型并进一步减阻。

3.2. 矩形柱–柔性板减阻
矩形柱分离点固定，柔性板可直接布置于分离点附近以更有效操控剪切层和涡脱。前缘柔性板自激拍动产生高频小尺度涡，增强跨剪切层动量交换并促进再附，在0°–8°攻角内显著降低平均阻力；尾缘板频率较低且易受前缘涡干扰，对整体气动力影响较小。方柱尾缘对称双FSP可大幅降低平均阻力和脉动升力；有限长方柱自由端前缘柔性板通过n形拍动诱导涡增强下洗、抑制自由端回流区并使尾涡脱由非对称转为对称，从而降低脉动侧向力。

3.3. 平板–柔性后体减阻
平板法向来流产生显著分离阻力，柔性后体通过自适应变形改变尾缘几何、延迟分离、收窄尾流并提高背压。长度比l/L_p约2.0时报告约30%的最大减阻；随长度比增大，后体依次出现板状、柱状、细长状、卷涡和拍动等流态，并在特定转变处出现阻力突降。面积缩减Ar较小时有利于减阻，过大则因拍动增强使分离点回到板缘并增加压差阻力；开孔维持封闭面积可抑制不稳定拍动。数值研究将总阻力分解为摩擦阻力和压差阻力，低Re下摩擦阻力占优，随Re升高压差阻力贡献增大；三维风洞实验在特定条件下报告最大22.2%减阻，但尺度效应、来流变化和长期耐久性仍需评估。

4. 振动抑制
4.1. 圆柱振动抑制
FSP可随剪切层同步拍动，抑制剪切层交替再附，从而中断驰振能量来源，并在高流速下维持低振幅。FSP不仅降低升力幅值，还改变升力与位移相位差，降低每周期净能量输入；在特定长度和刚度组合下可使振动频率偏离自然频率。长度和K_B需协调：过大K_B近似RSP并可能诱发驰振，过小K_B接近裸柱并出现大幅涡激振动（VIV）；最佳K_B随l增大而减小。展向宽度w增大可提升抑振效果，w/L≥0.2时VIV振幅降低超过83.8%。双圆柱并列实验中，FSP在部分间距区间可显著抑振，其有效性与间隙流和剪切层相互作用有关。

4.2. 矩形柱与桥梁断面振动抑制
矩形柱VIV中，当柔性板拍动临界风速低于VIV临界风速时，拍动诱导涡可扰动运动诱导涡并显著降低脉动升力；K_B过大导致拍动滞后或准静态弯曲时可能放大振动。前缘安装通常比仅尾缘安装更直接干扰分离剪切层和涡脱，前后缘同时安装可提高来流方向不确定性下的鲁棒性。长跨桥梁低阻尼VIV中，柔性膜布置于分离点附近可产生涡并持续扰动剪切层、抑制规则涡脱，相邻膜拍动相位差增强三维扰动并削弱展向相关性；安装位置远离分离区时控制效果显著下降。柔性板还可提高扭转颤振临界风速并将软颤振转变为线性颤振，机理与壁法向动量输运增强、气动扭矩及其相位滞后降低有关。

5. 增升
柔性襟翼（flap）增升主要基于前缘剪切层相互作用和后缘压力坝机制。前缘柔性襟翼在失速后大振幅拍动，诱导涡增强跨剪切层动量交换，使分离剪切层贴近翼面并提高失速后升力；沿弦向依次增加襟翼时前缘剪切层相互作用收益具有可加性。后缘襟翼被回流被动掀起，形成物理屏障，阻止下游较高压力向上游传播并维持前缘吸力，但其收益不具可加性。压力面襟翼更利于小攻角前失速性能，可提高C_L并维持正C_L/C_D，但会增加阻力并使失速提前。襟翼长度需适中，过短难以触及剪切层，过长易在低α提前弹起并发生展向弯曲/扭转；最佳l通常约0.1c–0.2c。展向分段和锯齿前缘更接近鸟类覆羽形态，可提供局部适应性并引入高频小尺度扰动，促进大尺度分离涡破碎。

6. 降噪
柔性辅助结构通过调控涡脱和剪切层不稳定性降噪。圆柱尾缘FSP可拉长回流区并将涡脱推向下游，使声源远离作为散射体的圆柱表面，降低表面压力脉动向远场声辐射的转换效率，并对主导涡脱频率的Aeolian音有更强抑制。多FSP可使涡脱频率发生跳变，回流区更细长，尾涡由经典锯齿形卡门涡街转为沿尾迹轴线的同向排列，主音调峰值降低且中高频宽带噪声衰减；频率跳变与外侧襟翼高阶本征频率的锁频有关。柔性后缘锯齿可顺流弯曲并更好对齐来流，降低刚性锯齿因攻角产生的横流，提供额外降噪；尾缘刷可降低边界层涡的展向相干长度约25%。但柔性结构可能增加高频宽带噪声，刷丝和细小湍流亦产生高频自噪声；刚度过软会诱发颤振并恶化声环境，过刚则接近刚性结构而失去柔性流固耦合优势。

7. 混合增强
7.1. 传热增强
柔性翅片作为被动涡发生器，通过流致拍动增强湍动能、促进冷热流体混合、向近壁输运动量并周期性破坏热边界层；常用Nusselt数（Nu）、摩擦因子F和热增强因子η综合评价。
7.1.1. 前缘夹持柔性翅片
前缘夹持柔性翅片（LEF）的失稳边界由K_B和M_S共同决定。较高K_B下拍动弱、传热增强有限；降低K_B进入大振幅二阶模态时可显著提高Nu，且η>1；进一步降低K_B进入高阶或混沌模式后，局部Nu可能升高但压损增大使η下降。M_S约1时η最大，且最优M_S下传热对K_B不敏感；长度与通道宽度比C^*较大时壁面限制和周期堵塞导致η降低，C^*<0.8后趋于稳定。分条LEF可通过相邻条异相运动降低流损并提高η；串联双LEF在特定间距下进入强耦合模式，可放大下游拍动并扩展增强范围。
7.1.2. 后缘夹持柔性翅片
后缘夹持柔性翅片（TEF）临界K_B约0.4，更易在低流速下拍动且几乎不受M_S影响。随K_B降低，TEF出现伸直、拍动、偏转和偏置等模式；偏转/偏置模式下小振幅非对称拍动难以有效穿透热边界层，并造成通道两侧传热不平衡；拍动模式下大振幅周期拍动可显著促进混合，η可达约1.2。中等长度比TEF在传热增强与压损之间较优；短翅片涡结构弱，长翅片压损急增。双TEF的串联、并联和交错布置中，交错布置可通过上下游相位耦合实现较强局部增强并较好控制压损。
7.1.3. 壁面安装柔性翅片
壁面安装柔性翅片（WF）既可通过流致振动增强传热，也可作为导热肋增加传热面积，但单侧安装会造成对侧传热不足，故常双侧布置。随K_B降低，WF出现不规则、偏转和拍动模式；拍动模式优于其他模式，偏转模式可能因稳定回流区而劣于光通道。大振幅拍动可显著提高净热流，但η仅约1.06；非对称布置可诱导反卡门涡街并缓解同步拍动堵塞，使η提高至约1.29。增大迎风倾角θ_i可增强失稳和拍动，扩大η>1的K_B范围但增加压损；沙漏形和根厚前薄的非均匀刚度设计可在抑制过大拍动压损的同时保留高频振动。多个WF串联时下游受扰动来流更易大幅拍动并产生新的Nu峰值，但需平衡堵塞比与传热收益。

7.2. 质量输运增强
质量输运增强主要关注流体界面的拉伸、折叠、卷吸和体相均匀化，压损不是首要不利因素。通道内中心或壁面FASs一旦失稳拍动，可将分子扩散主导的混合转为涡诱导对流主导的快速混合，缩短混合距离并提高均匀性；串联多个FASs或在上游设置共面翅片、圆柱等扰动源，可利用尾流激励和锁频放大下游拍动。开放射流中，喷嘴出口柔性膜在足够高射流速度下发生颤振并诱导射流周期拍动，射流拍动Strouhal数St_F约为0.05–0.23，明显低于非拍动自由射流主涡通过频率但高于常规流体喷嘴自激振荡频率；增大膜宽w可增强中心线速度衰减和横向扩展，使远场中心线速度概率密度更接近高斯分布。不同喷嘴几何中，孔板喷嘴因缩流效应更易诱发大幅膜颤振且压损较低。

8. 结论与展望
柔性辅助结构通过形态重构和流致拍动改变分离、涡相互作用和流固能量交换，在减阻、抑振、增升、降噪和混合增强中均具潜力；弯曲刚度、结构惯性、几何尺寸和安装位置共同决定结构响应，理想响应依应用目标而异，需评估性能权衡。未来需发展高Re三维湍流流固耦合高精度数值方法，并与同步PIV、压力、力和结构位移测量结合，以揭示能量传递路径和因果机制；应用设计应从单一指标转向多目标协同优化，如降噪不牺牲气动性能，并探索柔性结构与能量采集耦合。智能材料可实现变刚度、变几何或可调响应频率的半主动/闭环控制；机器学习可在充分代表性数据、独立验证和不确定性评估基础上提高材料属性与安装位置优化效率，推动柔性辅助结构向可感知、可学习、可优化的数据驱动智能流动控制系统发展。