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非对称双层冠毛对理想化蒲公英冠毛模型空气动力学性能的调节效应
本研究由成都大学建筑与土木工程学院的傅林涛、陈菲，遵义医科大学珠海校区的范庆，西华大学流体及动力机械教育部重点实验室的黄宗柳以及成都大学机械工程学院的袁容等人共同完成。通讯作者为傅林涛与袁容。该论文发表于国际流体力学期刊 Physics of Fluids 第38卷，并于2026年4月1日在线发表。
一、研究背景与目的
蒲公英（*Taraxacum mongolicum*）作为自然界中分布广泛的物种，其种子的主要传播方式为风媒传播。蒲公英种子优异的空气动力学性能已成为科学界和工程领域的研究热点，其核心在于冠毛（pappus）与气流的相互作用。由于冠毛结构复杂，多数理论和数值研究通常采用由中央圆盘和一束纤丝（filaments）组成的单层理想化模型。然而，自然界中蒲公英种子的冠毛结构具有极高的多样性，部分种子拥有多层、非对称分布的冠毛纤丝，而此类构型的空气动力学特性在此之前尚未被探索。
该研究的动机源于现有研究的空白：此前对多层冠毛模型的研究极为有限，且缺乏系统性的工作。单层模型虽然简化了计算，但无法捕捉迎风（windward）和背风（leeward）方向纤丝共存时产生的耦合效应；而完全精细化的模型计算成本高昂。因此，本研究旨在通过一种适度简化的非对称双层模型，系统性地探究纤丝在流向（streamwise）上的不对称分布如何调控冠毛周围的流场形态及其空气动力学性能。此研究不仅有助于理解自然界中相似质量但冠毛构型不同的蒲公英种子在沉积模式上的变异性，也为仿生飞行结构的设计与优化提供理论依据。
二、研究流程与数值方法
本研究采用简化的双层冠毛模型，模型由一个中央圆盘和110根圆柱形纤丝组成，每层各含一半数量的纤丝。核心变量为背风层纤丝角度φ和迎风层纤丝角度ψ，这两个角度均相对于垂直于气流方向的平面测量。研究设计了四组对照案例：第一组固定φ=0°，ψ在0°至40°之间变化；第二组固定ψ=0°，φ在0°至40°之间变化；第三组固定φ=30°，ψ在0°至40°之间变化；第四组固定ψ=30°，φ在0°至40°之间变化。这种设计旨在分别考察当固定层角度为小角度或大角度时，调节另一层角度对整体性能的差异化影响。
数值模拟采用计算流体力学（CFD）商业软件ANSYS Fluent（2022 R1版本）求解三维雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）。湍流模型采用剪切应力传输（SST）k-ω模型。流体介质为空气，来流特征速度为0.20米/秒，基于模型直径的颗粒雷诺数（Particle Reynolds Number, *Rep*）范围约为185至212。为保证计算精度，第一层近壁网格的无量纲壁面距离（y⁺）确保小于1。通过网格无关性验证，最终选定近壁面第一层网格高度为0.006毫米，各算例总网格数介于1121万至1212万之间。所有模拟均在成都超算中心分中心的并行计算服务器上完成。
三、主要研究结果
研究结果详细阐述了对流场形态、迎风面与背风面速度及压力分布，以及总体气动阻力的影响。
首先，在尾迹涡流形态学上，所有非对称模型中均观察到了分离涡环（Separated Vortex Ring, SVR），但其尺寸和与中央圆盘的距离（*zu*）随φ-ψ组合的变化而显著改变。定性来看，增大任一层角度均能减小SVR的尺寸，而两层角度同时增大时，尺寸缩减更为显著。定量分析表明，背风层角度φ对SVR位置（*zu*）的调控作用远强于迎风层角度ψ。在涡环的尺寸方面，随着可调层角度增大，涡环高度（*l₀*）和宽度（*w₀*）普遍减小。值得关注的是，反映涡环形状的因子（l₀/*w₀*）在不同组别中展现出不同规律：当固定层为φ=0°且ψ增加时，该比值呈非单调变化（先增后减）；但当固定层变为φ=30°且ψ增加时，该比值则单调递减。这一发现揭示了非对称分布可从根本上改变涡环的几何特征。
其次，在流向速度（streamwise speed）分布上，气流在接近圆盘迎风面时单调减速，而在尾迹区从背风面离开后，速度会先略微增加，然后逐步下降至最小值，之后再急剧恢复。最低无量纲流向速度（*uz/u*）及其发生的位置是关注的重点。结果发现，固定层角度的大小和可调层的朝向共同决定了最低速度的大小和位置。例如，当固定层为φ=0°（第一组）时，最低速度随ψ增加呈现先降后升再降的波动，而当固定层为φ=30°（第三组）时，最低速度则随ψ单调下降。
第三，压力系数（*Cp*）及其梯度（*dCp/dzr*）的分布更为复杂。迎风面的最大压力系数梯度及其出现位置，在固定φ时，随ψ增加而单调下降；在固定ψ时，随φ增加而单调上升，呈现出一种正向关联。而在背风面，压力系数梯度的极小值与极大值及其位置，在不同组别间表现出截然不同的变化规律，进一步印证了非对称分布对流场压力结构的多维度调节。
第四，在气动阻力方面，总阻力（*fd*）和阻力系数（*Cd*）均随可调层角度增大而单调递减。通过最小二乘法拟合发现，各组阻力的下降规律有所不同：第一、二组更符合线性规律，而第三、四组更符合抛物线规律。然而，各组内阻力随角度从0°增至40°的相对降幅均在18%至20%之间，差异不大。阻力系数的组内相对降幅则仅为阻力降幅的39%至48%，显示出由面积变化带来的影响。此外，黏性阻力占总阻力的比例（*fdv/fd*）在0.53至0.59之间。当可调层为迎风时，增大固定层角度可增强黏性阻力的贡献；但当可调层为背风时，影响甚微。
最后，一个特殊情况是在第一组（φ=0°）所有案例的中央圆盘背风面附近，均检测到了次级涡流（secondary vortices），其形态随ψ增大趋于更对称和规整，这一现象在其他任何组别中均未观察到。研究推测，这可能是因为只有该构型在圆盘迎风侧提供了产生次级涡流所需的局部物理阻碍和特定气动条件。
四、结论与价值
本研究系统性地揭示了纤丝流向不对称分布对双层冠毛模型空气动力学的调节机制。主要结论包括：调节迎风或背风层纤丝角度均可有效缩减尾迹分离涡环尺寸和模型阻力；背风层角度对分离涡环的位置有决定性影响；涡环形态的演变规律（如高宽比的单调或非单调变化）受到固定层角度和可调层朝向的共同制约；次级涡的出现条件与纤丝构型密切相关。
从物理机制上看，不对称分布重塑了迎风面与背风面的“壁面效应”（wall effect），改变了纤丝间的边界层相互作用距离，尤其是不同层纤丝间的交互作用被显著削弱，这是导致模型总阻力下降的关键因素之一。该研究的科学价值在于深化了对蒲公英种群多样性和进化动力学的流动物理理解，阐明了冠毛构型差异如何导致不同的气动行为。在应用价值上，这些发现可为设计被动式、低功耗的仿生微型飞行器以及种子启发的环境探测传感器提供关键的优化参数和设计灵感。研究也指出，未来的工作需纳入纤丝的柔性特征和更广的雷诺数范围，以获得对真实自然界蒲公英飞行机制更全面的认识。