本文档是一篇关于基于实验的流体-结构耦合（fluid-structure interaction, FSI）研究的学术论文，发表在《AIAA Scitech 2025 Forum》上。以下是对本文内容的全面报告，以便其他研究者了解该研究的背景、过程和结果。

研究作者与机构信息

此研究由 Yoo-Jin Ahn、Jayant Sirohi 和 Noel T. Clemens 进行，作者分别隶属于德克萨斯大学奥斯汀分校的航天工程与工程力学系。此显著研究发表于美国国际航空航天学会（American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA）旗下的《AIAA Scitech 2025 Forum》。

学术背景

科学领域

本研究隶属于流体力学与结构力学交叉领域的前沿，特别聚焦在超声速和高超声速流体环境下的流体-结构耦合问题。

研究目的与背景

流体-结构耦合是指当流体流动与结构振动相互影响时形成的复杂现象。这种互动在设计输送下一代高超声速飞行器、可重复使用的火箭以及吸气式超燃发动机（scramjet）等工程领域中至关重要；例如，超声速/高超声速飞行中，由于高速流体引起的摩擦加热可能使结构发生变形，从而产生流体动力学与结构力学之间的相互耦合问题。前人的研究证明，尤其是在激波/边界层干扰（shock/boundary layer interactions, SBLI）中，这种低频的不稳定性还可能与结构的固有模态频率配合，引发不可预见的破坏行为。

研究空白与目标

虽然目前已有大量关于薄矩形面板的流体-结构耦合研究，但多数关注于低马赫数环境。本研究希望填补高马赫数（Mach 5）条件下柔性面板与流动之间耦合机制研究的空白。

研究流程详述

实验设施与测试条目

本研究依托德克萨斯大学奥斯汀分校的降压风洞（blow-down wind tunnel）设施，该风洞支持马赫 2 和马赫 5 条件下的实验。此次实验在马赫数为 5 的流场中进行，具体流程分以下几个部分：

1. 实验条件与对象

在实验中，研究选用了一块由聚碳酸酯材料制成的柔性矩形面板（厚度为 1.5 毫米），并将面板安装在边界层干扰区域的下游。压缩斜坡的斜角分别设置为 26.5°与 28°，以形成不同强度的激波/分离区。

2. 测试工具与测量技术

实验主要采用同步诊断技术，包括快速响应压力敏感涂料（pressure-sensitive paint, PSP）和立体数字图像相关（stereoscopic digital image correlation, DIC），来获得面板振动与流场压力的耦合信息。此外，温度敏感涂料（temperature-sensitive paint, TSP）则用于修正 PSP 的温度敏感误差。

PSP 主要用于测定面板表面的压力分布，其采用了一种基于钌（Ruthenium）化合物的快速响应配方，具有 10 kHz 的频率响应能力；DIC 技术则通过追踪柔性面板背面随机斑点的移动以探测面板的外平面变形。此外，还使用了高帧率摄影机同步捕捉流场与面板运动时的特征。

3. 数据校准与处理

实验初期通过静态与动态相结合校准 PSP 与 TSP 数据精度，其中静态校准对比了理论公式计算与实际测量的压力-光强关系，动态校准通过嵌入在刚性面板上的微型压力传感器（Kulite）进行相对比对校正。

实验设计

测试分为以下几种条件： 1. 两种斜坡角（26.5°和 28°）的柔性面板实验； 2. 对应角度的刚性面板基准实验（用于排除柔性面板影响）； 3. 无斜坡条件下的柔性面板测试。

在每种实验条件下，分别进行了快速响应 PSP 与 DIC 的同步测量。

研究主要结果

面板动态变化与流场压力分布

通过 DIC 测量观测到，在较强的 SBLI 情况下（28°斜坡角），面板外平面平均位移较小，但局部区域出现了向测试舱内最大约为面板厚度 5% 的微小位移。配合 PSP 数据，可看到分离区域周期性扩展与收缩，以及激波脚部（shock foot）随时间的显著振荡。此外，PSP 数据在斜坡面上还揭示了流场中存在 Görtler 涡旋，这是一种离心不稳定性引起的现象。

振动频率的变化

实验还表明，面板振动的第一模态和第二模态频率在流场中相较于静态实验有所降低，而第三模态频率则增加。这表明流场对柔性面板的动态特性可能产生了不可忽视的影响。

激波脚部的位置与频率特性

通过 Welch 方法对激波脚部位置变化的预乘功率谱进行分析，结果显示激波动态特性与第一、第二模态的振动频率（约 1 kHz 以下）存在某种耦合机制。在柔性面板条件下，激波频率分布相比刚性面板更加分散，并且激波脚部的位置可能更加不稳定。

条件分析确认流场-面板耦合效应

通过对激波脚部位置直方图的条件分析，发现激波位置的波动与面板变形的特性密切相关。例如，当分离激波向更上游移动时，面板上游的凸出区域对流场的压缩效应明显增强，导致分离提前发生；相反，当激波靠近下游时，面板的向下位移则会延迟分离点的位置。

研究结论与意义

研究结论

研究发现，柔性面板与激波/边界层干扰中的分离流场之间存在明显的耦合效应。柔性面板运动显著改变了流场特性，例如激波的动态行为、流体分离区域的扩展与卷缩过程等。

学术价值与应用意义

该研究以马赫数 5 的超声速环境为背景，为流体-结构耦合对高超声速飞行器的潜在设计影响提供了重要的参考。例如，在未来的高超声速飞行器设计中，面板的柔顺性可能通过有助于减小激波的强度，降低高压区域带来的结构应力。

研究亮点

1. 高马赫数条件的实验稀有性：此研究在马赫数 5 的超声速流场下进行，弥补了当前 FSI 研究领域的空白。
2. 先进诊断技术的同步运用：在 PSP、DIC 和 TSP 的同步测量上达到了较高的数据精确性和分辨率。
3. 首次揭示 Görtler 涡旋与柔性面板的关联性：实验中首次确认了柔性面板可能促使高马赫条件下 Görtler 涡旋更显著。

展望

研究者指出，虽然实验揭示了柔性面板对流场特性质的影响，但还需要继续探讨激波流场是否反过来影响面板结构的模态动力学特性，从而建立更全面的双向耦合模型。