《Ocean Engineering》：Leakage-driven fluid–structure interaction of an air-cushion vehicle flexible skirt: Pressure redistribution, deformation transition and load-carrying degradation
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•实验与双向CFD–FEM分析揭示了泄漏驱动的裙边-气垫流固耦合作用。•离地间隙决定了气垫压力损失和承载能力的退化。•过渡工况表现出位移反转和结构载荷路径转移。•有效的垂直刚度源于泄漏、压力和变形的耦合作用。引言气垫船（ACVs）通过加压气垫将船体支撑在下方表面之上，从而实现两栖
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实验与双向CFD–FEM分析揭示了泄漏驱动的裙边-气垫流固耦合作用。
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离地间隙决定了气垫压力损失和承载能力的退化。
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过渡工况表现出位移反转和结构载荷路径转移。
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有效的垂直刚度源于泄漏、压力和变形的耦合作用。
引言
气垫船（ACVs）通过加压气垫将船体支撑在下方表面之上，从而实现两栖作业（Chi等，2026a，2026b）。围绕气垫的柔性裙边是升力系统的关键部件，因为它同时充当压力保持边界和内部气垫流动与外部环境之间的可变形界面。其变形改变了泄漏通道的局部几何形状，而由此产生的泄漏流量变化又改变了作用在裙边上的气垫压力。因此，裙边-气垫系统代表了一个典型的移动边界流固耦合（FSI）问题，其中流体载荷和结构变形强耦合（Chung等，1999；Chung和Jung，2004；Chung和Sullivan，2000；Sowayan和AlSaif，2013）。
在控制这种相互作用的因素中，底缘泄漏尤为重要。泄漏通道是气垫与周围环境交换质量和动量的主要途径。离地间隙的增加扩大了有效流动通道，并促进了裙边底缘附近的射流状流出，从而降低了气垫的压力保持能力。相反，柔性裙边的变形改变了泄漏几何形状，并反馈到局部流场和压力分布中（Hirata和Faltinsen，2000；Xu等，2020；Zhong等，2026）。经典解析描述通常通过伯努利或孔口型关系来表示这一过程，其中泄漏间隙是预先给定或简化的。这类公式提供了全局压力和流量的有用估计，但无法完全解决泄漏通道变形、局部压力重分布和结构响应之间的非线性反馈。
涉及柔性边界的流固耦合已在海洋及相关流动系统中得到广泛研究。波浪与水下柔性结构之间的水弹性相互作用表明，结构柔度可以显著改变周围流场和载荷分布（De Nayer等，2018；Mohapatra等，2018；Rojratsirikul等，2010；Wood等，2018）。高保真数值方法也日益用于求解大变形流固耦合和移动流固界面，包括分区CFD–FEM和基于粒子的方法（Chen等，2025；Jiao等，2021；Martínez-Estévez等，2023；O'Connor和Rogers，2021；Sun等，2024；Zhang等，2022）。柔性水翼的实验和数值研究进一步表明，结构变形可以改变局部流动结构、非定常载荷和特征流动频率。这些研究强调，柔性海洋结构的机械响应通常不能与周围流场的演化分离。
对于气垫系统，先前的研究已经确定了柔性密封件和裙边在决定气垫压力响应和车辆动力学方面的重要性。Hirata和Faltinsen（2000）证明，柔性密封件下方的非定常粘性流动会强烈影响气垫压力特性，而随后对囊指式裙边系统的研究考察了压力响应、裙边变形、泄漏特性以及几何和气动参数的影响。实验研究还表明，柔性裙边的有效泄漏间隙可以表现出强非线性行为，并且不一定与名义几何间隙一致。然而，压力响应、泄漏流和结构变形仍然经常被视为裙边响应的独立方面。
因此，一个尚待解决的问题是底部泄漏通道的演化如何改变内部流动和压力支撑条件，以及这些流体动力学变化随后如何改变柔性裙边的变形模式和载荷路径。特别是，裙边-气垫系统的有效垂直刚度不应仅被视为材料或结构特性。它是一个系统级特征，源于气垫压力保持、泄漏损失、移动边界变形和结构阻力的综合效应。对于实际囊式裙边结构，连接泄漏流演化、压力重分布、变形转变和承载退化的统一描述仍然缺乏。
在本研究中，台架实验与双向STAR-CCM+/ABAQUS流固耦合模拟相结合，研究了典型囊式柔性裙边在不同离地间隙下的行为（Gao等，2021；García-Espinosa等，2015；Jiang等，2026；Jiang和Tang，2022；Shabarov等，2022；Zhong等，2026；Zhou等，2009；Zhuang等，2025）。实验提供了与间隙相关的腔室压力和垂直载荷响应，而耦合数值模型用于解析泄漏流、演化的流固界面、压力重分布、裙边变形和应力传递。本研究聚焦于三个相关问题：底部泄漏通道的开启如何改变气垫压力保持能力；由此产生的流体载荷重分布如何诱导裙边变形转变；以及这种转变如何改变耦合裙边-气垫系统的有效承载刚度。通过将这些过程联系在一个统一的流固耦合框架内，本研究旨在为柔性裙边的承载退化提供流体力学解释，而不是将泄漏、变形和刚度视为独立现象。
本文的其余部分组织如下。第2节描述了实验方法和裙边-气垫系统的间隙相关响应。第3节介绍了耦合CFD–FEM模型及其数值评估。第4节讨论了泄漏驱动的流固耦合机制，包括流动演化、变形转变、应力重分布和有效刚度退化。第5节总结全文。
章节片段
实验方法
本节建立了研究柔性裙边-气垫系统泄漏诱发响应的实验基础。使用台架试验平台，在一系列规定的离地间隙下测量腔室压力和垂直载荷，并引入有效垂直刚度来量化与间隙相关的支撑响应。由此产生的压力-载荷特性随后用于识别系统的主要运行工况，并提供
CFD–FEM模型与数值评估
本节建立了研究柔性裙边-气垫系统泄漏驱动流固耦合的耦合数值框架。构建了一个分区双向CFD–FEM模型，以捕捉气流泄漏、压力重分布和裙边变形之间的相互作用，并通过网格收敛性、时间步长敏感性和实验评估来检验其数值可靠性。所得到的模型为解决耦合流动和
流固耦合诱发的变形与刚度退化
本节考察了控制柔性裙边-气垫系统承载退化的泄漏驱动流固耦合机制。首先分析泄漏流和压力分布的演化，然后分析裙边变形和结构载荷传递的相关变化。随后整合这些耦合响应，以阐明离地间隙的变化如何改变主要支撑机制并导致有效垂直刚度的退化。
结论
本研究通过台架实验和双向CFD–FEM模拟，研究了囊式柔性裙边的泄漏驱动流固耦合作用。重点关注底缘泄漏、气垫压力重分布、裙边变形和承载能力的耦合演化。
增加离地间隙逐步打开底部泄漏通道，促进从受限泄漏向充分发展出流的转变。由此导致的
CRediT作者贡献声明
迟冰佳：写作–初稿，验证，监督，方法论，正式分析，概念化。王元辉：写作–审阅与编辑，验证，资源，项目管理，经费获取。李周瑞：可视化，软件，数据管理。
数据可用性声明
本文所依据的数据将应通讯作者的合理要求提供。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。
致谢
本工作受国家自然科学基金资助（项目号52471377）。
迟冰佳|王元辉|李周瑞
