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自适应-被动控制技术在球体绕流减阻中的应用研究

作者及机构
本研究由韩国蔚山国立科学技术大学（UNIST）机械工程系的Seokbong Chae、Seungcheol Lee、Jooha Kim和Jae Hwa Lee合作完成，成果发表于2019年1月的《Physics of Fluids》期刊（Volume 31, Issue 1, 015107），DOI编号为10.¹⁰⁶³⁄₁.5063908。

学术背景

研究领域与动机
研究聚焦于流体力学中的被动流动控制（passive flow control）领域，旨在解决球体在宽雷诺数（Reynolds number, Re）范围内的减阻问题。传统被动控制装置（如凹坑、表面粗糙度、绊线）的尺寸固定，仅能在窄雷诺数范围内实现最优减阻。而主动控制装置需持续能量输入，实用性受限。因此，本研究提出了一种新型自适应-被动混合装置——自适应移动环（Adaptive Moving Ring, AMR），其核心创新在于通过弹簧力学平衡实现无能量输入的尺寸自适应调节，从而在Re = 0.4×10⁵–4.4×10⁵范围内实现动态优化的减阻效果。

理论基础
球体绕流的阻力危机（drag crisis）现象是关键背景：当Re超过临界值时，边界层（boundary layer）由层流转变为湍流，分离点（separation point）延迟，阻力系数（drag coefficient, Cd）骤降。传统装置的尺寸与减阻效果存在矛盾：大尺寸装置虽能提前触发阻力危机，但自身形状阻力（form drag）会抵消减阻收益；小尺寸装置减阻幅度大，但需更高Re才能生效。AMR通过动态调节突出高度（protrusion height, h/d），平衡扰动强度与形状阻力的矛盾。

研究方法与流程

1. AMR设计与实验装置
- 装置结构：AMR为环形突起，安装于球体前缘50°方位角（azimuthal angle）处，通过线性滚珠轴承与内部弹簧连接。弹簧刚度（κ=440–1000 N/m）决定其响应特性：风速增大时，气动压力推动AMR下移，减小h/d；反之弹簧复位。
- 实验系统：
- 风洞：闭式回流风洞，测试段尺寸0.5×0.5×1.2 m，风速上限45 m/s，湍流强度<0.8%。 - **模型**：直径150 mm的ABS树脂球体，阻塞比7%，通过尾部钢管支撑以避免振动干扰。 - **测力**：内置载荷传感器（CAS BCL-2L）直接测量阻力，采样频率32 kHz，非维度平均时间T̂ >13,000以确保统计收敛。

2. 实验流程
- 固定AMR测试：移除弹簧，固定h/d（0–3.33×10⁻²），测量Cd随Re的变化，建立经验模型。
- 自适应AMR测试：安装不同刚度弹簧，记录h/d随Re的自适应变化及对应Cd。
- 流场测量：
- DPIV（Digital Particle Image Velocimetry）：采用2048×2048像素CCD相机和180 mJ Nd:YAG激光，空间分辨率0.0031d，获取球体中心平面速度场。
- 表面油流可视化：石蜡油与二氧化钛混合物涂抹球体，捕捉表面流线拓扑结构。

3. 数据分析方法
基于参数化逻辑函数（logistic function）建立Cd预测模型：
$$Cd = C{d,sub} - |\Delta C_d| \left(1 + \exp\left[-\frac{2\ln(1/s-1)}{w}(Re-Rec)\right]\right)^{-1}$$
通过拟合确定关键参数：亚临界Cd（$C{d,sub}$=0.4965）、减阻幅度（$|\Delta C_d|$）、临界Re宽度（w=74,016）及中心临界Re（$Re_c$）。

主要结果

1. 固定AMR的减阻规律
- h/d增大使临界Re左移，但减阻幅度降低（图4a）。例如，h/d=3.33×10⁻²时，减阻幅度仅28%，而h/d≈0时可达74%。
- 经验模型显示，最优h/d随Re升高对数递减（式4）：
$$(h/d)_{opt} = -0.0063 \ln\left(\frac{Re-Re_i}{Re_f-Re_i}\right)$$
其中$Re_i$=2.96×10⁴，$Re_f$=3.45×10⁵（图5c）。

2. 自适应AMR的性能验证
- 弹簧刚度影响：κ=720 N/m时，h/d变化与最优曲线吻合，减阻效果最佳（图6）。Re=3.2×10⁵时，Cd降至0.13（较光滑球体降低74%）。
- 失效案例：κ=440 N/m时，h/d下降过快，导致Re>2×10⁵后减阻失效；κ=1000 N/m则因h/d过高产生多余形状阻力。

3. 减阻机制解析
- 低Re（高h/d）：AMR诱导剪切层失稳（shear layer instability），形成再附着涡（recirculation zone），延迟主分离至ϕ≈100°（图8a）。DPIV显示边界层动量增厚（图9a），位移厚度（displacement thickness, δ*）降低15%。
- 高Re（低h/d）：产生二次分离泡（secondary separation bubble），湍流再附着进一步延迟分离至ϕ≈140°（图8e）。瞬时涡量场（图11a）显示Kelvin-Helmholtz涡主导转捩。

结论与价值

科学意义
- 首次提出无能量输入的自适应-被动混合控制策略，突破传统装置固定尺寸的限制。
- 量化了h/d与Re的优化关系，为流动控制提供普适性设计准则。

应用前景
- 适用于雷诺数时变系统，如微型自主水下航行器（AUV）和无人机（UAV）。例如，直径400 mm的球形AUV（Re≤1.2×10⁵）可减少55%以上阻力。
- 局限性：需固定分离点（不适用于方柱等锐缘物体）且对横向旋转敏感。

研究亮点

1. 方法创新：AMR将弹簧同时作为传感器与执行器，实现完全被动的自适应调节。
   
2. 模型价值：提出的Cd预测模型首次关联了装置尺寸与临界Re的定量关系。
   
3. 机制发现：揭示高低Re下不同的减阻主导机制（再附着涡 vs 二次分离泡）。
   

补充发现
表面油流显示，AMR在h/d=0时与光滑球体流场一致（图8f），验证了其“隐形”设计优势。