Stratified wake of an accelerating hydrofoil
拖曳体和自航体在分层流体中的尾流与非分层尾流有很大不同。层化对等速运动非流线体尾流发展的长期影响是众所周知的。在这项实验研究中，我们演示了浮力如何影响的初始增长的涡发展的尾迹中的水翼从休息加速。采用粒子图像测速技术（PIV）测量了NACA 0015翼型在水中低雷诺数、较强稳定分层流体（Re=5,000，Fr~O（1））中的尾流演化过程。速度和涡量场的分析，以下的涡识别和估计的循环，揭示了在分层流体的情况下，在近尾流沿流向的方向伸展的涡。与非分层尾流相比，分层尾流的动量厚度剖面显示出较低的动量厚度值，这意味着分层介质中加速水翼上的阻力在加速阶段减小。研究结果可能会提高我们的能力，以预测阻力由于机动的微型空气/水车辆在分层条件下。
2015-05-07 physics.flu-dyn
A finite element framework for fluid-structure interaction of turbulent cavitating flows with flexible structures
本文提出一个有限元框架，用于模拟柔性结构与空化湍流的流固耦合，通过均匀混合物模型、保持正性稳定化和动态亚格子方法，结合模态分析和分区迭代耦合，验证了刚性和柔性水翼案例，并揭示空腔和涡脱落对柔性水翼结构动力学的影响。
2023-12-29 physics.flu-dyn
Tailoring formations of self-organizing hydrofoil schools towards high-efficiency
我们提出了新的无约束的模拟和约束实验的一对俯仰水翼在一个领导者，跟随者在一条直线上的安排。具有$matched$俯仰振幅的翼片的自由游动模拟显示了在没有任何控制的情况下在恒定间隙距离下自组织成稳定的编队。跟随翼上的前缘分离通过充当跟随器上的附加动态阻力源在创建这些编队中起着至关重要的作用，这取决于间隙间距和相位同步。在很宽的范围内的相位同步，振幅，和莱特希尔数典型的生物学，我们发现，稳定的间隙距离尺度与实际唤醒波长的孤立箔$rather$ $than$的标称唤醒波长。导出了实际尾流波长的标度律，并显示出在$200 \leq Re < \infty$的宽雷诺数范围内的数据崩溃。此外，在模拟和实验中发现，$mismatched$翼振幅增加70%的效率，同时保持稳定的形成没有闭环控制的水翼学校。这通过（1）增加箔片之间的稳定间隙距离使得它们被推入高效区域和（2）提高这些区域中的效率水平来实现。这项研究弥合了受约束和无约束的在线教育研究之间的差距，表明受约束的箔测量可以用作学校教育的潜在效率效益的地图。这些发现可以帮助设计高效的生物机器人学校，并可能提供对鱼群能量学和行为的见解。
2024-10-02 physics.flu-dyn
A parametric level set method with convolutional encoder-decoder network for shape optimization with fluid flow
在这篇文章中，我们提出了一个新的数据驱动的形状优化方法隐式水翼变形通过参数水平集表示的多项式扰动。在不引入任何拓扑变化的情况下，通过与扰动位移的幅度和形状相关联的六个形状设计变量来实现水翼变形。所提出的方法具有三到四倍的设计变量比形状优化通过自由形式的变形技术和几乎两个订单相比，通过传统的参数化水平集的拓扑优化设计变量。使用固定的笛卡尔水平集网格，我们还集成了深度卷积编码器-解码器网络，作为高保真度雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模拟的替代，用于学习水翼形状周围的流场。我们表明，一个有效的形状表示，通过参数水平集可以使在线卷积编码器-解码器的应用程序的形状优化的水翼。卷积编码器-解码器的广义流场预测分别由0.985和0.95的平均值和最小结构相似性指数测量证明，与训练外形状的RANS预测相比，预测的解决方案。卷积编码器-解码器预测的执行速度比RANS快近五个数量级。这使得一个易于计算的代理为基础的阻力最小化的五十种不同的水翼为两种不同的设计升力系数。此外，通过基于代理的优化获得的最佳局部最小值位于两种设计升力情况下的RANS预测对应物的附近。目前的研究结果表明，未来的形状优化，通过参数水平集与卷积编码器-解码器在更广泛的流动条件和形状的承诺。
2023-01-13 math.OC physics.flu-dyn
Thrust augmentation of flapping airfoils in low Reynolds number flow using a flexible membrane
采用高阶Navier-Stokes方程与非线性薄膜结构模型耦合的方法，研究了二维薄膜翼型在预定简谐运动下的非定常气动推力和气动弹性响应。膜预应力和弹性的影响进行了检查参数选定的暴跌和俯仰暴跌运动在弦为基础的雷诺数为2500。惯性膜载荷的重要性，从规定的扑翼也评估纯暴跌运动。本研究比较了柔性与刚性薄膜翼型的周期平均气动载荷，并强调了涡结构和突出的流体-薄膜相互作用，使更有效的扑翼推力生产在低雷诺数流动。
2018-10-17 physics.flu-dyn
On the fluid-structure interaction of a flexible cantilever cylinder at low Reynolds numbers
本文对均匀横流中柔性悬臂圆柱的流固耦合问题进行了数值研究。采用基于三维纳维-斯托克斯方程和Euler-Bernoulli梁理论的全耦合流固耦合求解器。我们研究了圆柱体在大范围的折合速度（$U^*$）、质量比（$m^*$）和雷诺数（$Re$）下的动力学。特别感兴趣的是探索在层流亚临界$AR=100$区域（即，无周期性涡旋脱落）。我们评估在何种程度上，这样一个灵活的圆柱形梁可以维持流致振动和表征的贡献，梁的灵活性，在低$Re$尾流的稳定性。我们表明，当满足一定的条件时，柔性悬臂柱进行持续的大幅振动。的振荡的频率被发现匹配的周期性流体力的频率为一个特定的系统参数范围。在此范围内，横向振动的频率被示出为与气缸的第一模式固有频率匹配，这表明锁定现象的存在。锁定制度的范围被证明有很强的$Re$和$m^*$的依赖性。研究发现，与静止刚性圆柱尾流的定常尾迹不同，低质量比柔性悬臂圆柱尾流在低至$Re=22$的雷诺数下会在锁定区失去稳定性。一个组合的VIV驰振型不稳定性被证明是可能的原因，在这个$Re$制度的尾流不稳定性。这些研究结果试图概括我们的理解，在柔性悬臂梁结构的流动引起的振动，并可能产生深远的影响，新型流量测量传感器的发展。
2021-05-25 physics.flu-dyn
A robust and accurate finite element framework for cavitating flows with fluid-structure interaction
我们提出了一个统一的变分力学框架空化湍流和结构运动通过稳定的有限元公式。为了模拟空化现象中的有限传质速率，我们采用基于均相混合物的方法，通过唯象标量输运微分方程。稳定的线性化的质量连续性方程和标量输运方程的有限质量传递项推导出强大的和准确的实施。空化方程的线性化矩阵被赋予一个正性保持属性，以解决典型的两相空化流的高密度梯度所产生的数值振荡。所提出的配方是强耦合在一个分区的方式与不可压缩的三维Navier-Stokes有限元求解器，和非定常的问题是先进的时间使用全隐式广义$α$时间积分方案。我们首先验证的基准情况下，瑞利气泡崩溃的实施。我们证明了空化求解器的准确性和收敛性，通过比较数值解与解析解的瑞利-Plesset方程的气泡动力学。我们发现我们的求解器是强大的大时间步长和虚假振荡的压力场的情况下。空化流求解器与混合URANS-LES湍流模型耦合，该模型具有针对蒸汽存在进行校正的湍流粘度。我们验证了耦合求解器的非常高的雷诺数湍流空化流在NACA 0012水翼段。最后，在Arbitrary Lagrangian-Eulerian框架下求解该方法，研究了俯仰水翼段上的湍流空化流动，并对空化流动的特征（如再入射流和周期性空泡脱落）进行了耦合流固耦合分析。
2021-02-18 physics.flu-dyn
Enhanced clamshell swimming with asymmetric beating at low Reynolds number
在低雷诺数下，单根柔性细丝可以脱离扇形定理，产生净推进力。在这项工作中，我们研究了一个简单的边界驱动的多丝游泳者，双臂蛤壳驱动的铰链点，使用非局部细长体近似与充分的水动力相互作用的动力学。首先考虑由具有内曲率的柔性细丝组成的弹性蛤壳，然后建立由具有不同形式响应力矩的不同机械接头连接的刚性段组成的分段模型。该系统的简单性使我们能够充分探索各种参数对游泳性能的影响。确定了最佳夹角和弹粘数。分段模型捕捉弹性蛤壳的特征动力学。我们进一步证明了如何游泳性能可以显着提高由偏置扭矩引起的非对称跳动模式。
2022-03-04 physics.flu-dyn
A general formulation of Bead Models applied to flexible fibers and active filaments at low Reynolds number
这一贡献提供了一个通用的框架，使用拉格朗日乘子的珠模型（BM）的基础上模拟低雷诺数纤维动力学。这种形式主义提供了一种有效的方法来考虑运动约束。我们举例说明，与几个例子，在何种程度上，所提出的配方提供了一个灵活的和通用的框架，用于定量建模的柔性纤维的变形和旋转剪切流，驱动细丝的动力学和主动游泳者的推进。此外，一个新的接触模型称为齿轮模型，并成功地测试。它避免了使用数值技巧，如相邻珠子之间的排斥力，在以前的珠子模型的时间整合的数值困难的来源。
2015-01-13 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Dynamics of flexible fibers in confined shear flows at finite Reynolds numbers
本文扩展了FPD方法并结合LBM的MRT格式，数值研究了有限雷诺数下二维库埃特流中柔性纤维的动力学，发现弱受限和小雷诺数下存在三种翻滚轨道，且增加雷诺数或受限强度会阻碍纤维翻滚。
2023-02-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Experiments on the stability and drag of a flexible sheet under in-plane tension in uniform flow
研究了均匀平行流中柔性薄板的流体动力阻力和流体弹性稳定性。进行了一项实验活动，涉及一个悬臂板在空气流中，其特征是雷诺数为R=10^4-10^6。片材的性质包括：每单位面积恒定的质量;小但有限的抗弯刚度;在0.43<1/L<1的范围内变化的纵横比，其中L和1分别表示长度和宽度;以及在后缘处施加的张力。本工作的独特之处是调查的影响面内张力的流体阻力和流体弹性稳定性的片材。在没有张力的情况下，配置类似于一面旗帜，阻力系数被观察到随着展弦比和雷诺数的增加而减小。在张力的存在下，流体阻力显着降低的临界流速以下的对流波不稳定性出现的区域。该临界流速可以通过适度施加面内张力来增加。在横向张力作用下，薄板的阻力可以用平板紊流边界层阻力定律很好地近似。然而，一旦失去稳定性，由于对流波在板表面上传播，阻力系数随雷诺数迅速增加。
2009-08-18 physics.flu-dyn
Role of Skin Friction Drag during Flow-Induced Reconfiguration of a Flexible Thin Plate
本文研究了低雷诺数下存在蒙皮摩擦阻力时柔性薄板的流动诱导重构减阻问题。该板经受均匀的自由流，并且在一端被栓系。我们扩展了现有的模型在文献中考虑皮肤摩擦阻力。相对于刚性直立板，板上的总阻力由于流动诱导的重构而减小，并且进一步重构由于蒙皮摩擦阻力的增加而增加总阻力。在给定雷诺数下，存在一个临界柯西数$Ca$，在该临界值处，板相对于刚性直立板的总阻力最小。在这种情况下，板的重构形状是唯一的，超过该形状，即使重构，板上的总阻力也会增加。直立刚性板的形状阻力系数与水平刚性板的表面阻力系数之比（$λ$）决定了临界柯西数（$Ca_{cr}$）。我们建议修改的阻力缩放与自由流速度（$F_{x}$ ${\propto}$ $U^{n}$）在皮肤摩擦阻力的存在。对于$0.01 \leq Re \leq 1$，$n = 4/5 + λ/5$对于1 $\leq$，$Ca$，$<$，$Ca_{cr}$，$n = 1 + λ/5$对于$Ca_{cr} \leq Ca \leq 300$，可以找到以下$n$的表达式，其中$Re$是雷诺数。简要讨论了表面摩擦阻力和浮力对减阻的综合作用。实验的可行性评估，以将本模型转化为物理系统。
2017-12-01 physics.flu-dyn
Swimming near Deformable Membranes at Low Reynolds Number
在自然界中，很少发现微生物在无限的流体中自由游动。相反，它们通常会遇到其他生物体、硬壁或可变形的边界，如自由界面或膜。游泳者和附近物体之间的流体动力学相互作用导致许多有趣的现象，例如游泳速度的变化，积累或转向的趋势，以及协调的鞭毛跳动。受这类问题的启发，我们研究了变形边界附近的微生物运动。我们计算了无限长的游泳者接近分离两种流体的柔性表面的速度，我们还计算了柔性表面的变形和游泳速度。当柔性界面两侧的粘度不同时，我们发现流体沿着或逆着游泳方向被泵送，这取决于哪个粘度更大。
2013-10-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Study of Dynamic Interaction Between Low Re Aerodynamic Load and Flexible-Biomimetic Wings with Tailorable Stiffness by FSI Modeling
在本工作中，我们研究了柔性仿生变形机翼结构对低雷诺气动载荷的动态相互作用和响应。灵感的方面如下。首先，将机翼分割成刚性段和柔性段。考虑到骨骼和肌肉的前缘构造。除了一个灵活的后缘组成的羽毛。其次，采用文献中实验生物学提供的材料性质，如弯曲刚度和杨氏模量。允许非均匀分布的属性的数值模型的开发和实施到一个OpenFoam有限体积求解器，耦合流体动力学的结构固体动力学求解器通过FSI接口。在这项工作的过程中，进行验证的NACA 6409翼型考虑刚性段的40%和柔性段的60%的弦长，以测试空气流的气动载荷在低雷诺数$\boldsymbol{5\times 10^5}$的流体和羽毛的启发材料性能的气动结构的行为。结果表明，生物启发的技术可以在工程配置中重现。
2023-01-21 physics.flu-dyn
Twin Strouhal numbers in pressure loading of circular cylinder at high Reynolds numbers
本研究通过风洞实验测量高雷诺数（80万至217万）下圆柱壁面压力，利用双正交分解识别出双斯特劳哈尔数，发现第二项主导非定常升力，其频率接近亚临界值。
2023-11-17 physics.flu-dyn
Flow-excited membrane instability at moderate Reynolds numbers
本文通过高保真数值模拟研究中等雷诺数下三维柔性薄膜的流动激发不稳定性，发现涡脱落频率与薄膜固有频率的锁定导致自持振动，并提出了稳定性相图，为薄膜机翼无人机控制策略设计提供依据。
2021-10-07 physics.flu-dyn
How wavelength affects the hydrodynamic performance of two accelerating mirror-symmetric slender swimmers
该研究通过550个浸入边界数值模拟和符号回归，揭示波长、St与Re对两个反相位并排波动水翼净推力及效率的影响，发现镜像对称集群可产生十倍以上净推力。
2023-07-22 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Experimental Investigations of Elastic Tail Propulsion at Low Reynolds Number
在低雷诺数下产生推进力的一种简单方法是周期性地振荡被动柔性细丝。在这里，我们提出了这样的推进机制的宏观实验研究。构造了一个游泳机器人，并测量了尾形和推进力。灯丝的特性和驱动是不同的，得到的数据进行定量比较与现有的线性和非线性理论。
2006-06-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Connections between propulsive efficiency and wake structure via modal decomposition
本研究通过振荡水翼实验结合opt-DMD模态分解方法，揭示了尾流相干结构与推进效率的联系，阐明了从阻力到推力的转变及峰值推进效率的条件。
2024-03-16 physics.flu-dyn
Viscous pumping inspired by flexible propulsion
流体悬浮微生物已经进化出不同的游泳和进食策略，以应对粘性效应占主导地位的环境。例如，纤毛虫生物依靠柔性附件的集体运动来移动和进食。通过执行非往复运动，柔性细丝可以在没有惯性的情况下产生净推进力或泵送流体。受这种基本概念的启发，我们提出了一种策略，以产生宏观泵送和混合的蠕动流。我们测量实验的净运动的牛顿粘性流体引起的往复运动的挡板。当挡板是刚性的时，不引起净运动。相反，当挡板由柔性材料制成时，测量净流体泵送。我们量化这种泵送策略的有效性，并表明，最佳的泵送实现时，挡板的长度是在相同的顺序作为弹性流体动力学渗透长度。最后讨论了柔性叶轮在低雷诺数混合操作中的可能应用。
2014-04-09 physics.flu-dyn
Learning Optimal Parametric Hydrodynamic Database for Vortex-Induced Crossflow Vibration Prediction
柔性长圆柱结构涡激振动的预测依赖于刚性圆柱受迫振动实验建立的流体动力数据库的准确性。然而，创建一个全面的流体动力学数据库与数十个输入参数，包括振动振幅和频率和雷诺数，表面粗糙度等是技术上具有挑战性的，几乎是不可能的，由于需要大量的实验。目前的工作提出了一种替代方法来近似横流（CF）水动力系数数据库中精心选择的参数化形式。参数的学习是作为一个约束优化，其中的目标函数的基础上构建的实验响应和理论预测之间的误差，假设流体和结构之间的能量平衡。这种方法产生CF参数水动力数据库的最佳估计，并根据更新的水动力数据库产生VIV响应预测。然后，该方法进行了测试的几个实验，包括自由安装的刚性圆柱体在大雷诺数与组合横流和直列振动和大型柔性圆柱体测试在挪威深水计划，结果表明，强大的，显着减少预测缸VIV的误差。
2021-04-13 physics.flu-dyn
A validated fluid-structure interaction simulation model for vortex-induced vibration of a flexible pipe in steady flow
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）
提出一种基于条带法并结合OpenFOAM与MATLAB弱耦合的柔性管道涡激振动仿真框架，并通过三类稳态流实验验证其振幅、频率和应变响应。
2025-10-21 physics.flu-dyn
A mass-spring fluid-structure interaction solver: Application to flexible revolving wings
扑翼昆虫惊人的飞行能力的秘密在于它们的翅膀，它们的翅膀通常被近似为扁平的刚性板。然而，真正的翅膀是微妙的结构，由静脉和膜组成，并且可以经历显著的变形。在目前的工作中，我们提出了详细的数值模拟这样的变形机翼。我们的结果是通过流固耦合求解器得到的，耦合了柔性机翼的质量-弹簧模型和求解不可压纳维-斯托克斯方程的伪谱代码。我们施加无滑移边界条件，通过体积惩罚方法，时间相关的复杂的几何形状，然后完全描述的掩模函数。这允许在规则笛卡尔网格上求解流体的控制方程。我们的大规模并行计算机的实现使我们能够执行高达5亿个网格点的高分辨率计算。质量弹簧模型使用功能方法，从而模拟静脉和翅膀膜的不同力学行为。本文对雷诺数Re = 1800时的大黄蜂柔性旋转机翼进行了一系列数值模拟。为了评估机翼柔性对空气动力学的影响，我们改变弹性参数，研究刚性，柔性和高柔性机翼模型。代码验证是通过计算经典的基准。
2020-02-20 physics.flu-dyn
Floquet stability analysis of a two-layer oscillatory flow near a flexible wall
本文对柔性壁分隔的两层平行振荡流进行线性 Floquet 稳定性分析，揭示临界条件及 Reynolds 数、通道宽度和壁面刚度对扰动波长与失稳的影响。
2023-10-21 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Data-driven unsteady aeroelastic modeling for control
气动弹性结构，从昆虫的翅膀到风力机叶片，经历与其运动耦合的瞬态非定常气动载荷。柔性结构的有效实时控制依赖于对非定常气动弹性力和翼型变形的准确和有效的预测。对于刚性机翼，经典的非定常空气动力学模型最近在状态空间中被重新表述以用于控制，并被扩展到包括粘性效应。在这里，我们进一步扩展这个建模框架，包括变形的柔性机翼除了准稳定，附加质量，和非定常粘性力。我们开发的低阶线性模型的基础上的数据，直接数值模拟的流动过去的柔性机翼在低雷诺数。我们证明了这些模型的有效性，跟踪侵略性的机动与模型预测控制，同时限制最大机翼变形。这种系统识别方法提供了一个可解释的，准确的，低维的气动弹性系统，可以帮助系统和控制器设计的应用程序中的瞬态起着重要的作用。
2022-07-12 physics.flu-dyn
The response of a tensioned flexible sheet immersed in parallel flow
本文研究了均匀气流作用下悬臂柔性薄板的流体弹性响应。板的前缘被夹紧，而在后缘处，施加面内张力以向板的小但有限的弯曲刚度提供附加刚度。我们概述了一系列的实验中进行的风洞与检查流体弹性不稳定性的目的。特别是，我们研究的作用，面内张力引起的刚度，以及它如何影响静态发散和对流波不稳定性。流动的特点是雷诺数的顺序$10^5$ - $10^6$，我们专门检查一个表的纵横比为$L/l=1.33$。本工作的一个独特的方面是通过光学跟踪方法直接测量片材的三维位移，该方法具有放置在片材表面上的无源标记的网格。我们展示了从稳定到发散，最后到颤振的薄板表面的演变。颤振事件的频率组成显示出高次谐波分量，这表明存在显著的非线性。张力诱导刚度在板对流体的响应中起着推迟和抑制不稳定性的关键作用。
2011-01-12 physics.flu-dyn
Thermal Cooling Enhancements in a Heated Channel Using Flow-Induced Motion
本文对刚性圆柱四种不同截面形状的加热通道的涡激冷却进行了对比研究，圆形、正方形、半圆形和三角形，在雷诺数（基于水力直径）为200时有或没有刚性/柔性分流板。该研究提出了一个全面的分析的流动和热性能的所有情况下。对于柔性板的情况下，分区的方法被调用来解决耦合的流体-结构-对流问题。模拟结果表明，减少热边界层厚度的位置处的涡导致改进的努塞尔数。此外，薄板的流动诱导运动显著增加了通道内的涡量场，从而改善了混合和冷却。当平板与三角形截面的圆柱体连接时，平板的运动幅度最大。功率需求分析表明，柔性板降低了泵送通道的冷流体所需的功率。因此，根据本研究的观察结果，作者建议使用连接到圆柱体的柔性板来改善对流冷却。
2022-01-16 physics.flu-dyn
The sedimentation of flexible filaments: Trajectories, particle clouds and a buckling instability
在这个流体动力学视频中，我们探索了一系列不同的可能的动态柔性长丝在粘性流体中沉积。与时间相关的形状和轨迹的细丝的确定分析和数值平衡的粘性，弹性和重力在细长体理论为零雷诺数流动。动力学的特点是由一个单一的无量纲的弹性引力数。视频显示了细丝松弛和重新取向的过程，粒子云的形成，最后是屈曲不稳定性。
2013-10-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dynamics of flexible fibers in viscous flows and fluids
浸没的柔性纤维的动力学和变形是重要的工业和生物过程的核心，在包含它们的流体中引起特殊的机械和传输特性，并且是流动控制的新方法的基础。在这里，我们专注于低雷诺数制度，在研究这些纤维流体系统的进展特别迅速。在实验方面，这是由于纤维合成、微流体流动控制和基于显微镜的跟踪测量技术的新方法。同样，在捕捉细长柔性纤维与流动、边界和彼此之间的相互作用所需的专门数学建模和数值方法方面也不断改进。
2019-05-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Transportation efficiency of hydrodynamically coupled spherical oscillators in low Reynolds number fluids
本文提出基于球形振子的简化模型，研究低雷诺数流体中流体动力学相互作用对振子链输运效率的影响，发现珠子间流体相互作用增强流动且珠子数量增加可提升输运效率。
2023-04-20 nlin.PS physics.flu-dyn
Propulsive transitions and scaling relations of a heaving flexible foil in a cylinder wake
该研究数值模拟圆柱尾流中扑动柔性翼型，识别五种响应模式，发现柔性在部分尾流中通过额外吸力提升性能，并建立力与功率的标度关系，为仿生设计提供指导。
2025-09-11 physics.flu-dyn
Dynamics and fluid-structure interaction in turbulent flows within and above flexible canopies
本文系统研究了完全淹没柔性冠层中细丝柔度对湍流、阻力及流固耦合的影响，刻画了两种拍动态和湍流多层结构，为RANS和LES湍流建模提供依据。
2024-05-14 physics.flu-dyn
The laminar flow instability criterion and turbulence in pipe
将直管中的流识别为柔性杆，可以给出确定层流状态转变为湍流状态的准则表达式，即管中流的平移运动的直线静态结构的失稳，以及其转变为平移运动的弯曲-涡动动态结构，就像柔性杆屈曲一样。引入的标准允许考虑入口几何形状、管道长度、流速以及任何物理因素对直线流动结构的稳定性的影响。确定了雷诺数是局部水动力相似数，并指出雷诺数是引入的稳定性判据的组成部分。所发展的稳定性问题的求解方法也适用于内流和外流场的问题求解。
2003-03-19 physics.flu-dyn
Linear and weakly nonlinear global instability of a fluid flow through a collapsible channel
在许多生物系统中，内部流动和壁变形之间存在相互作用。这种相互作用可能涉及复杂和丰富的动力学行为和许多特性，这些特性取决于流动参数范围。本文的目的是提出一种变体（通过加权残差法获得）的平均一维模型来自斯图尔特等人。“局部和全球流动的不稳定性在一个灵活的壁通道，”欧洲。J. Mech. B/Fluids 28，541-557（2009）]。这两个模型的小雷诺数的渐近展开，从润滑方法得到的精确解相比，揭示了一些定量的差异，即使在较高的雷诺数。定性地说，这两个模型至少在线性水平上给出了类似的结果。结果表明，对于相对较低的膜张力（T），在（T，R）参数空间中有不同的区域，稳定的分叉流可能发生。这些流动也可以观察到在极小的雷诺数结合相对较高的膜张力。在足够高的T和R，分叉流是相当的时间周期性。然后，在这两种情况下进行弱非线性分析，导致分叉流的振幅的演化方程的推导。振幅方程表明鞍结分岔具有跨临界特性，而Hopf分岔则是亚临界或超临界的，这取决于模态数和膜张力。
2019-03-07 physics.flu-dyn
Flow-induced vibration of a flexible cantilever in tandem configuration
本文通过全耦合流固求解器数值研究了串列布置下柔性圆柱悬臂的流致振动，揭示了其在亚临界和超临界雷诺数下的持续振动特性、锁定同步机制及能量传递规律，为悬臂式流量传感器设计提供依据。
2024-08-06 physics.flu-dyn
Modelling and controllability of the motion of a slender, flexible micro-swimmer
Indian Institute of Technology Bombay（印度孟买理工学院）
本文提出一种新型运动模型，用于描述低雷诺数条件下柔性微型游泳器的运动，通过分析其形状和速度，推导出其平动和旋转速度的表达式，并展示了其可控性结果。
2018-03-21 cs.SY eess.SY physics.flu-dyn
SBoTFlow: A Scalable framework using lattice Boltzmann method and Topology-confined mesh refinement for moving-body applications
本文提出SBoTFlow，一种基于格子玻尔兹曼方法和拓扑限制网格细化的可扩展框架，用于模拟柔性运动物体，通过浸没边界方案准确捕捉高振幅和频率，适用于昆虫飞行等研究。
2024-02-07 physics.flu-dyn
Flow-Induced Deformation of a Flexible Thin Structure as Manifestation of Heat Transfer Enhancement
薄结构的流动诱导变形与对流热传递耦合在能量收集中具有潜在的应用，并且对于理解几个生物系统的功能是重要的。我们用数值方法证明了大尺度流动诱导变形是一种有效的被动强化传热技术。内部，强耦合的流体-结构相互作用（FSI）求解器，其中流动和结构求解器的基础上尖锐的界面浸没边界和有限元法，分别。在目前的工作中，我们验证对流传热模块的内部流固耦合求解器对几个基准的传导和对流传热的例子，包括移动结构边界。研究了刚性圆柱背风面弹性薄板在加热通道层流中流动诱导变形的热增强效应，并对其进行了定量分析。我们发现，过去的板尾涡扫通道壁上产生的高的涡源进入高速区域，促进流体的混合。板的自持运动有助于对流混合，增强本体和壁附近的对流，从而减小热边界层厚度以及提高通道壁处的努塞尔数。我们量化的热改善相对于通道流没有任何钝体和分析的作用的雷诺数，普朗特数和材料性能的板在热增强。
2015-01-08 physics.flu-dyn
Oscillations in a flexible channel flow of a generalized Newtonian fluid
我们研究了广义牛顿流体的流动，其特征在于一个幂律模型，通过一个通道组成的壁与柔性膜纵向张力。它是假设，在稳定状态下，通过通道的流量承认一个恒定的流量单向流动剖面，而对于非定常的情况下，我们采用长波近似，并使用一组简化方程来描述的膜的形状的变化（假设是无质量和弹性）和流体通量的变化。通过渐近展开，多尺度分析和完整的数值解的相关控制方程，我们表明，取决于雷诺数和膜应力，剪切变稀，剪切增稠和牛顿流体的流动行为可能是显着不同的，振荡的一个，而混沌的其他。本文提出的结果具有实际意义的几个生物相关的过程，涉及运输流变复杂的生物流体通过灵活的域。
2016-09-22 nlin.CD physics.flu-dyn
FlexPINN: Modeling Fluid Dynamics and Mass Transfer in 3D Micromixer Geometries Using a Flexible Physics-Informed Neural Network
Sharif University of Technology（谢里夫理工大学）
FlexPINN通过改进传统PINN架构，实现了对三维微混合器中流体动力学与质量传递的高效模拟，展示了在复杂几何结构中的应用潜力。
2025-04-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Symmetry-breaking bifurcations and sub-harmonic lock-in of a flexible splitter plate in cylinder wake flow
本文研究低雷诺数下圆柱尾流中柔性分流板的流固耦合共振，发现模态耦合导致次谐波锁定，并揭示板长与质量比对锁定范围及对称破缺分岔的影响。
2025-10-08 physics.flu-dyn
Computational and reduced-order modelling of elastic wave-driven impulse enhancement in pulsed jets through passively flexible nozzles
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of Birmingham（伯明翰大学）
本研究通过三维双向流-结构相互作用模拟，探讨了柔性喷嘴中弹性波传播和能量交换，发现喷嘴柔度增加会减缓变形波速度，从而延长喷嘴扩张阶段，增强喷射混入和弹性能量储存，同时抑制早期剪切层卷涡形成，最终提升总水动力冲击量。
2026-08-12 physics.flu-dyn
Dynamic interactions between an aerodynamic flow and a flexible flat plate
本研究通过高保真流固耦合模拟，探究柔性平板与涡脱落气动流的动态相互作用，发现流动诱发不稳定性引发结构运动，并依据模态动力学划分不同耦合状态。
2024-11-05 physics.flu-dyn
Collective dynamics of dense hairy surfaces in turbulent flow
与湍流相互作用的柔性丝状床代表了许多环境现象的基本设置，海流中的水生树冠。利用直接数值模拟在高雷诺数的树冠茎是单独建模，我们提供的证据的基本特征honami/monami集体运动所经历的毛茸茸的表面在一系列不同的灵活性，即，柯西数我们的研究结果清楚地证实，集体运动基本上是由流体流动湍流驱动的，在这方面，冠层具有完全被动的行为。相反，当特别关注展向振荡和/或足够小的柯西数时，与结构响应有关的某些特征在单个座舱盖元件的运动中显现出来。
2023-03-27 physics.flu-dyn
The sedimentation of flexible filaments
本文用解析和数值方法研究了柔性细丝在粘性流体中的沉降动力学。沉积刚性杆的研究情况相比，细丝的顺应性的引入被证明会导致显着的改变，在长时间的沉积方向和细丝的几何形状。通过平衡零雷诺数流动的细长体理论中的粘性力、弹性力和重力来开发模型，并且细丝动力学的特征在于无量纲的弹性重力数。考虑了非均匀和均匀横截面厚度的细丝。在弱柔性制度，多尺度渐近展开用于获得细丝的平移，旋转和形状的表达式。这些都显示出与完整的数值模拟非常匹配。此外，我们表明，与刚性对应物不同，沉降柔性细丝的轨迹仅限于其包络由弹性引力数确定的云。在高度灵活的制度，我们表明，沿其长轴沉降的细丝是容易屈曲不稳定。线性稳定性分析提供了色散关系，清楚地说明了在屈曲过程中压缩应力和恢复弹性力的竞争效应。的不稳定性旅行作为一个波沿长丝的重力方向相反，因为它的增长和预测的增长率相比，有利的数值模拟。控制方程的线性本征模也进行了研究，这与模拟中出现的有限振幅屈曲形状吻合得很好。
2013-06-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Refractive-index-matched hydrogel materials for modeling flow-structure interactions
在对固体物体周围的流动进行基于成像的研究时，具有与周围流体折射率匹配的材料是有用的。然而，目前使用的材料通常是刚性的，并且与昂贵或高粘性的液体相匹配。这不允许在高雷诺数下进行测量，也不允许对柔性结构进行精确建模。这项工作探讨了使用两种水凝胶（琼脂糖和聚丙烯酰胺）的折射率匹配模型在水中。这些水凝胶价格低廉，可以铸造成所需的形状，并具有可调节以匹配生物材料的灵活性。使用水作为流体相允许这种方法立即在许多实验设施中实施，并允许研究高雷诺数现象。我们解释了制造方法，并提出了两种凝胶的物理和光学性质的总结，然后显示测量证明在定量成像中使用的水凝胶模型。
2012-12-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
An experimental data-driven mass-spring model of flexible Calliphora wings
昆虫翅膀在拍动过程中，由于惯性力、弹性力和气动力的作用，会发生明显的变形。形状的变化改变了空气动力，导致了一个完全耦合的流体-结构相互作用（FSI）问题。在这里，我们提出了详细的三维流固耦合模拟可变形的丽蝇（丽蝇呕吐）的翅膀在扑翼飞行。机翼模型提出了使用多参数质量弹簧的方法，选择其实现简单和计算效率。我们训练模型再现静态弹性测量，通过优化其参数，使用遗传算法与协方差矩阵自适应（CMA-ES）。然后将用实验数据训练的机翼模型耦合到在大规模并行超级计算机上运行的高性能流动求解器。不同的功能的建模方法和种内弹性性能的变化进行了讨论。我们发现，不同的机翼刚度的个人表现出相似的空气动力学特性，其特征在于在相同的雷诺数的无量纲力和功率。通过比较柔性机翼和刚性机翼，进一步研究了机翼柔性的影响。在刚性和柔性机翼相同的规定运动条件下，机翼柔性提高了升阻比和升功率比，并降低了机翼旋转期间观察到的峰值力。
2022-01-27 cs.NA math.NA physics.bio-ph
On the rectification of oscillatory flows by flexible leaflets in a confined geometry
Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Med, IRPHE（艾克斯马赛大学、法国国家科学研究中心、中央马赛学院、IRPHE）
研究受限几何形状中柔性薄片对振荡流的整流作用，通过数值研究多个不对称薄片集体相互作用，利用对称振荡板隔离背景不对称性，开发分析框架，发现高薄片密度及最优弹性粘性数可最大化净传输，为相关研究奠定基础。
2026-07-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Vortex transition and thermal mixing by pitching a perforated flexible panel
Cornell University（康奈尔大学）
本文研究了柔性孔隙面板的主动 pitching 运动对热混合和旋涡转变的影响，通过实验和半经验模拟揭示了运动学、孔隙率和柔性的作用。
2025-04-04 nlin.CD physics.app-ph physics.bio-ph
Elastic wakes mediate collective viscoelastic fluid-structure interactions in side-by-side cantilever arrays
Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University（冲绳科学技术大学院大学）
该研究探究并排悬臂阵列的粘弹性流固相互作用，发现弹性尾迹合并等集体行为依赖流体剪切稀化特性与阵列构型，揭示了集体不稳定性的形成机制。
2026-08-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Naut your everyday jellyfish model: Exploring how tentacles and oral arms impact locomotion
水母-雄伟，节能，是栖息在海洋中的最古老的物种之一。也许是第二个项目，它们的效率，吸引了科学家几十年来研究它们的运动行为。然而，没有人专门探讨过它们的触角和口臂可能对它们潜在的游泳能力的作用，可以说，这些特征赋予了水母美丽的同时也给它们的猎物（和海滩游客）带来了恐惧。我们进行比较在硅片实验，研究如何肌腱/口臂数，长度，位置和密度影响向前游泳速度，运输成本，和流体混合。一个开源的实现浸没边界法（IB 2d）来解决完全耦合的流体-结构相互作用的问题的理想化的柔性水母钟与多孔弹性触角/口臂在粘性，不可压缩流体。总的触须/口臂抑制向前游泳的速度，似乎抑制漩涡的形成。观察到长度和流体尺度（雷诺数）以及触须/口臂数量，密度和位置之间的非线性关系，说明形态上的微小变化可能导致游泳速度显着降低，在某些情况下，在没有触须/口臂的情况下，下降400%。
2019-08-09 physics.flu-dyn q-bio.QM
Methods for suspensions of passive and active filaments
柔性细丝和纤维是出现在许多生物和工业环境中的重要复杂流体的基本组成部分。直接模拟这些系统，捕捉运动和变形的许多浸没在悬浮液中的细丝仍然是一个艰巨的计算挑战，由于复杂的，耦合的流体-结构的相互作用的所有细丝，与细丝弯曲的数值刚度，以及各种约束，必须保持细丝变形。在本文中，我们解决这些挑战，通过描述长丝运动学使用四元数来解决弯曲和扭曲，应用隐式时间积分来减轻数值刚度，并使用拟牛顿方法来获得所产生的非线性方程组的解决方案。特别是，我们采用几何时间积分，以确保四元数保持单位的细丝移动。我们还表明，我们的框架可以用于各种模型和方法，包括无矩阵的快速方法，解决低雷诺数流体动力学相互作用。我们提供了一系列的测试和示例模拟，以证明我们的方法的性能和可能的应用。最后，我们提供了一个链接到MATLAB/Octave实现我们的框架，可以用来了解更多关于我们的方法，并作为灯丝模拟的工具。
2020-09-24 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
