用于控制云空化及流致振动的压电复合材料柔性壁的设计

《International Journal of Multiphase Flow》：Design of piezoelectric composite flexible wall for controlling cloud cavitation and flow-induced vibration

　　

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  设计了一种顺流向的压电复合材料柔性壁，以实现与不稳定性云状空化现象相匹配的主动控制。
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  开发了一个强耦合的流体-结构-电数值框架，用于研究空化流动与压电柔性壁之间的相互作用。
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  在压电激励下，识别出两种不同的系统响应模式。
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  流体载荷功率与压电功率的相对大小决定了两种模式之间的转换。
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  基频壁振动表现出行波特性，并与流体载荷的三阶段演变相锁定。

引言

空化是液压机械中常见的相变现象，当液体中的局部静压降至饱和蒸汽压以下时就会发生，导致蒸汽空泡的形成（Franc和Michel，1985年；Furness和Hutton，1975年）。这一现象在泵、螺旋桨和涡轮机等涡轮机械中尤为明显，表现为复杂的不稳定多相流动（Pham等人，1999年）。在各种空化形式中，云状空化尤其具有破坏性。其特征是周期性出现空泡生长，随后形成充满蒸汽的云团并在高压区域坍塌。这种剧烈的坍塌会产生强烈的压力脉冲、高速微射流和冲击波，导致严重的后果，包括材料侵蚀、结构振动、噪音以及液压性能的显著下降（Dular等人，2004年；Wu等人，2018年；Xu等人，2020年）。除了压力驱动的相变外，液体中非凝结气体（NCG）的存在也会影响空化现象，因为NCG会阻碍气泡的坍塌并可能引发气相空化，从而改变空化流动的不稳定性（Yan等人，2026a，2026b）。鉴于这些不利影响，理解其背后的动力学机制并开发有效的减缓策略对于现代流体系统的可靠和高效运行至关重要。

因此，控制空化现象，特别是不稳定的云状空化，已成为流体动力学研究的一个重要焦点。在各种控制策略中，主动流控方法已成为一个重要的研究领域。与依赖于固定几何形状改动的被动方法不同（Kadivar等人，2020年；Qiu等人，2024a），主动控制技术将外部能量引入流场，提供了一种更具适应性和潜在更有效的抑制空化不稳定性的方法。这种适应性使得主动控制成为减轻工程应用中空化损害的有效手段。

主动流控已被广泛研究，作为一种通过向流场引入外部动量和能量来操控不稳定性空化的方法。其中，基于喷射的方法——无论是连续的还是脉冲式的——都受到了相当多的关注。早期研究表明，通过翼型前缘注入空气可以有效减轻空化侵蚀并抑制云团脱落的强度（Arndt等人，1995年；Reisman等人，1997年）。最近的研究表明，从吸力表面连续注入水可以在空泡内部局部增加压力，从而缩短其长度并抑制蒸汽云的周期性脱落（Li等人，2024年；Pant和Frankel，2021年；Wang等人，2020年）。

尽管这些结果很有前景，但以往主动空化控制方法的一个重复性局限是，控制参数通常设置在远小于空化不稳定性的特征尺度的空间尺度上。从空间尺度的角度来看，这些方法的有效性受到 inherent 限制。它们大多在相对较小的空间尺度上引入扰动，例如局部射流或涡旋对，这些扰动通常设计为与近壁边界层相互作用。然而，云状空化是由大规模相干结构控制的，包括宏观的片状空泡和携带大量能量的脱落涡旋（Bhatt等人，2023年；Wang等人，2024年）。注入的能量和动量往往不足以直接调节这些大规模结构，特别是在云状空化完全发展的条件下，导致控制效果有限。这种尺度不匹配突显了需要替代控制策略的需求，以实现驱动与空化流动中的主导相干结构之间的尺度匹配。一种有前景的方法是通过变形固体壁本身，来操控大部分边界层上的流动，从而直接与宏观空泡相互作用。

与基于射流的驱动方法并行，单相流控领域出现了一种新的范式，该范式借鉴了水生动物通过身体变形来操控近壁流动的能力。这促进了可变形壁表面的发展，这些表面覆盖了流动边界的大部分。这种壁面变形，包括顺流向的行波和局部表面振荡，已成功应用于减少湍流阻力和控制层流分离（Huang等人，2022年；Ogunka等人，2023年）。所需的变形幅度通常较小，这使得使用轻质压电执行器进行驱动成为可能（He等人，2023年；Zhang等人，2024年）。这种方法在单相流中的成功表明了其控制更复杂多相流动（如空化）的潜力。

提出的使用大规模可变形壁来主动控制云状空化的概念本质上涉及结构变形与空化流动之间的耦合，将其牢固地置于流体-结构相互作用（FSI）研究领域。当前关于空化流动的FSI研究大致可分为两类。第一类关注三维翼型与空化流动之间的耦合，主要集中在翼型的展向弯曲和扭转变形上，而截面轮廓的变形——即壁面本身的形状变化——则被很大程度上忽略（Liu等人，2021年，2023年；Sun等人，2021年；Young等人，2022年）。第二类研究预定的刚体运动（如俯仰或升降）与空化流动之间的耦合，其中翼型形状保持不变，仅考虑整体运动（Ghasemnezhad和Roohi，2024年；Huang等人，2013年；Jia等人，2023年；Kashyap和Jaiman，2023年）。在这两类研究中，翼型壁的变形要么被忽略，要么没有得到充分讨论。因此，存在一个重要的研究空白：由外部激励驱动的柔性壁与大尺度非稳态空化流动结构之间的FSI机制尚未得到系统研究。

为此，本研究扩展了我们之前关于局部壁面变形控制的工作（Wang等人，2025年），设计了一种具有更大顺流向范围的柔性壁，专门针对附着空化流动中的主导不稳定性流动特征长度尺度进行定制——即附着空泡的生长和脱落空泡云的对流。所提出的尺度匹配配置建立了一种新的范式，在这种配置中，驱动与空化流动的内在不稳定性结构在空间上实现了耦合，比局部变形方法提供了更直接和全面的相互作用。首先，通过分析在没有压电激励的情况下柔性壁与空化流动的耦合行为和潜在机制，系统地研究了由此产生的新的流体-结构相互作用。其次，在应用压电控制后，检查了各种控制参数对系统动态响应的调节效果，特别关注由激励引起的耦合机制的转变。

章节片段

压电复合材料柔性壁的设计

如图1(a)所示，在均匀来流条件下，由于前缘附近的低压区域，会发生空化现象。附着空泡在翼型的吸力面上生长、发展并脱落，表现出高度不稳定的流动特性。在本研究中，在吸力面上嵌入了一层柔性壁，其顺流向长度被设计为与流动中不稳定结构的特征移动距离相当，从而

流体-结构-电控制相互作用的建模

为了便于后续推导控制方程，流体和结构模型中一致采用的坐标系和二维假设如下定义。

在整个流体和结构建模中采用了全局笛卡尔坐标系，如图1所示。x轴指向来流方向（从前缘到后缘），y轴垂直于x轴，而x-y平面垂直于

仿真设置与验证

本节描述了本研究中使用的计算设置和数值模型的验证。计算配置旨在模拟静止翼型上的云状空化实验条件。图2展示了二维计算域及其相关边界条件。翼型的弦长为C = 0.1?m，攻角为8°。翼型的前缘位于

柔性壁与空化流动之间的流体-结构相互作用

本节研究了在没有压电激励的情况下，柔性壁在不稳定附着空化流动中的动态响应，流体-结构相互作用对空化流场的影响，以及它们之间强双向耦合的特性和机制。图6展示了刚性壁情况和流体-结构相互作用情况下的时间平均液体积分数等值线和时间平均速度幅值等值线

结论

本研究对云状空化与具有大顺流向范围的柔性壁的相互作用进行了流体-结构相互作用研究，这一研究受到不稳定附着空化流动中固有的下游对流结构的影响。此外，通过向粘贴在柔性壁上的压电贴片施加谐波电压实现了主动控制策略，从而建立了一种空间尺度与特征流动相匹配的控制方法

CRediT作者贡献声明

魏 Wang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，形式分析，数据整理，概念构思。刘帅：软件，方法论。胡乃甜：可视化，软件。曲业高：监督，资源获取，项目管理，资金筹措。彭志科：监督，资金筹措。

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