An Efficient and Accurate Surrogate Modeling of Flapping Dynamics in Inverted Elastic Foils using Hypergraph Neural Networks
The University of British Columbia（不列颠哥伦比亚大学）
本文提出基于超图神经网络的高效替代模型，用于准确预测倒置弹性翼在流体中的非稳态动力学，实现高精度的流-结构相互作用模拟。
2025-11-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Surrogate Modeling of Fluid Dynamics with a Multigrid Inspired Neural Network Architecture
Institute of High Performance Computing（高性能计算研究所）
代数或几何多重网格方法通常用于数值求解器，因为它们是一种能够处理多尺度问题的多分辨率方法。在这项工作中，我们提出了一个修改常用的U-Net神经网络架构的灵感来自多重网格方法的原则，这里称为U-Net-MG。然后，我们证明，这种建议的U-Net-MG架构可以成功地减少测试预测误差相对于传统的U-Net架构时，建模一组流体动力学问题。总的来说，我们证明了改进的速度和压力场的预测的典型流体动力学的情况下，流过一个固定的圆柱体，流过2个圆柱体在异相运动，和流过一个振荡的翼型在推进和能量收集模式。一般来说，虽然U-Net和U-Net-MG模型都可以很好地模拟系统，测试RMSE小于1%，但使用U-Net-MG架构可以进一步减少RMSE 20%到70%。
2021-05-09 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
Multi-Fidelity Data Assimilation For Physics Inspired Machine Learning In Uncertainty Quantification Of Fluid Turbulence Simulations
针对EPM无法确定湍流预测中扰动幅度与位置的问题，本文提出物理启发的CNN框架学习模型预测与真实结果间的修正，以调节扰动并改进误差估计。
2023-07-23 physics.flu-dyn
Predicting Flow-Induced Vibration in Isolated and Tandem Cylinders Using Hypergraph Neural Networks
本文提出一种受有限元启发的超图神经网络框架，用于预测孤立与串列圆柱的流致振动，通过超图消息传递和复值本征正交分解子网络分别建模流场与网格变形，在强尾流干扰下实现了高保真预测。
2025-07-03 physics.comp-ph 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
Nested homogenization of xylem-inspired porous fluidic networks
Università degli Studi di Cagliari（卡利亚里大学）；Università degli Studi di Genova（热那亚大学）
提出一种分层均质化框架，通过有效应力跳跃界面定律和导管尺度闭合模型，将孔隙尺度几何信息传递到网络尺度，实现仿木质部多孔流体网络的高效模拟。
2026-08-21 physics.flu-dyn
Quantum-Inspired Stochastic Modeling and Regularity in Turbulent Fluid Dynamics
本文提出结合Sobolev-Besov混合空间、分数阶算子与量子启发的动力学分析随机Navier-Stokes方程正则性的创新框架，引入类Schrödinger算子和各向异性随机模型，为湍流能量耗散与多尺度分析提供新工具。
2024-10-17 math-ph math.AP math.MP
Complete quantum-inspired framework for computational fluid dynamics
本文提出基于矩阵乘积态的量子启发全栈框架，以多重对数级复杂度求解任意几何边界下不可压缩流体问题，并直接从压缩编码恢复解，为高效流体求解器奠定基础。
2023-09-22 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Elastocapillary sequential fluid capture in hummingbird-inspired grooved sheets
受蜂鸟进食机制启发，提出一种利用弹性毛细变形实现两步顺序流体捕获的分层带槽薄片装置，可同时完成快速液体传输、等分与高约束，为微流控即时检验装置设计开辟新途径。
2024-10-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
Biologically inspired force enhancement for maritime propulsion and maneuvering
向高性能应用的转变大大增加了对产生用于高速机动的大瞬时流体力和用于持续推进的改进的功率效率的需求。动物通过改变它们的身体形状来产生不稳定的流体力，从而实现操纵和效率的非凡壮举。受此启发，我们研究了一系列浸入式物体，这些物体会急剧改变其形状以产生流体力。这些包括相对简单的形状改变，例如快速改变翼片的迎角以诱导紧急停止，以及使用串联扑翼片来产生三倍于单个扑翼片的平均推进力。它们还包括更多非常规的形状变化，例如高速收缩翼片以提供滚转和俯冲机动的动力，以及使用软机器人技术快速缩小椭圆体的正面面积以提供68%的快速启动机动动力，甚至完全消除阻力，具有91%的准推进效率。这些系统已与分析，实验测量和浸没边界数值模拟进行了研究。
2016-09-21 physics.flu-dyn
Nature-inspired microfluidic propulsion using magnetic actuation
在这项工作中，我们模仿自然纤毛的有效推进机制，通过磁致动薄膜在一个循环，但非往复的方式。通过同时求解弹性动力学方程、静磁场方程和流体力学方程，我们证明了流体推进量与纤毛扫过的面积成正比。通过利用薄膜磁化和外加磁场之间复杂的相互作用，我们能够产生明显的不对称性和相关的流动。我们描绘了系统的功能响应的三个无量纲参数，捕捉弹性，惯性，粘性和磁力的相对贡献。
2009-02-16 physics.flu-dyn
Quantum-Inspired Computational Fluid Dynamics for Transient Turbulent Compressible Flows
The University of Melbourne（墨尔本大学）；Monash University（莫纳什大学）
本研究解决量子启发CFD仅适用于不可压缩流动的问题，开发首个基于TT格式的QICFD求解器，通过TGV测试验证其正确性，可并行模拟且成本低，同时指出其需改进以适配工业场景。
2026-08-28 physics.flu-dyn quant-ph
A variational flexible multibody formulation for partitioned fluid-structure interaction: Application to bat-inspired drones and unmanned air-vehicles
本文提出了一种三维（3D）分区气动弹性列式，用于研究与不可压缩湍流相互作用的柔性多体系统。不可压Navier-Stokes方程采用稳定的Petrov-Galerkin方法离散，而多体结构系统则是由多个部件（如刚体、梁和柔性薄壳）以及它们之间的各种接头和连接组成的通用相互作用。在小应变问题中，将物体的位移分解为一个刚体转动和一个小应变分量。这种假设简化了结构方程，并允许在系统中包含多个实体（刚性和柔性）。在关节处的位移和旋转约束施加的拉格朗日乘子法。通过径向基函数方法传递力和结构位移来满足流体-结构界面处的平衡条件，该方法是全局保守的。针对低固液质量比区域的耦合稳定性问题，在分区交错预估-校正格式中引入了非线性迭代力校正格式。径向基函数映射的收敛性和通用性进行了分析，通过进行系统误差分析的非匹配的流体-结构界面的流体牵引力的转移，其中三阶收敛观察。然后，通过考虑流过后缘有锯齿的柔性俯仰板构型的流动，验证了所提出的气动弹性框架。最后，我们展示了一个灵活的蝙蝠扑翼建模的骨手指作为梁和柔性膜作为薄壳的多体系统中的关节以及流动。
2020-05-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Quantum-Inspired Fluid Simulation of 2D Turbulence with GPU Acceleration
BMW Group（宝马集团）；Saarland University（萨尔兰大学）；Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；NVIDIA（英伟达）；Ludwigs Maximilian University Munich（慕尼黑路德维希-马克西米利安大学）
本文提出利用量子启发方法和GPU加速模拟二维湍流，通过矩阵积态和量子张量网络结构提升计算效率，验证了在高雷诺数下算法的适用性和性能优势。
2024-06-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn quant-ph
Fluid-structure interaction of a bio-inspired passively deployable flap for lift enhancement
鸟在过失速迎角下有着非凡的复杂机动能力。被动部署的自致动隐蔽羽毛响应于非定常流分离，同时执行这样的机动提供了一个被动的流动控制模式，这些气动能力。大多数研究涉及隐蔽羽毛启发被动流动控制的羽毛作为一个刚性连接或自由移动的翅膀襟翼。通过扭转弹簧安装的襟翼使构型更能象征与覆羽动力学相关的有限刚度。与这种更一般的情况相关的性能优势和流动物理学仍然在很大程度上未被探索。在这项工作中，我们将隐蔽羽毛建模为固定机翼吸力面上的被动可展开、扭转铰接襟翼。本文采用基于投影的浸没边界法对低雷诺数$Re=1{,}000$和迎角攻角$20^\circ$下的翼型襟翼系统进行了数值模拟。通过改变弹簧的刚度、襟翼的质量和铰链的位置进行的参数研究产生了相对于基线无襟翼情况高达27%的升力改善，并揭示了两种主要的流动行为状态。详细的分析表明，刚度相关的平均襟翼偏转和惯性相关的振幅和相位的襟翼振荡改变了占主导地位的流动特性，在这两个制度。对性能益处特别感兴趣的是襟翼参数，它增强了有利于升力的前缘涡，同时减弱了后缘涡和反向流上游传播的相关有害影响。这些参数也产生了一个有利的时间同步襟翼振荡与涡脱落过程中的两个制度。
2022-02-28 physics.flu-dyn
Thermodynamics-inspired Macroscopic States of Bounded Swarms
University of Massachusetts Lowell（马萨诸塞大学洛厄尔分校）；Washington State University（华盛顿州立大学）
本研究借鉴热力学与流体相似性，提出类比压力、温度和密度的三个宏观属性，描述仅由吸引和排斥作用控制的蜂群行为，并验证其满足理想气体定律及维里方程，以量化蜂群集体行为。
2023-08-29 cs.RO nlin.AO physics.flu-dyn
Asymmetric Fluid Flow in Helical Pipes Inspired by Shark Intestines
该研究通过三维打印刚性与可变形的鲨鱼肠道仿生螺旋模型，揭示结构参数及流固耦合对单向流动非对称性的增强作用，性能可媲美 Tesla 阀。
2024-07-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Modal Decompositions of the Kinematics of Crevalle Jack and the Fluid-Caudal Fin Interaction
由于自然水生物种的柔性身体与周围的水之间的强烈相互作用，了解生物启发游泳的管理机制一直具有挑战性。在本文中，我们采用先进的模态分解技术，适当的正交分解和动态模式分解，提取能量最强的时空正交分量的复杂运动学的Crevalle杰克（Caranx河马）鱼。然后，我们提出了一个计算框架处理流体-结构相互作用相关的问题，以调查他们对高度非线性系统的整体动力学的贡献。我们发现，这种鱼的起伏运动可以描述只有两个驻波一样的空间正交模式。构建的数据集，从我们的数值模拟流膜尾鳍的杰克鱼，我们的模态分析表明，只有前几个模式接收能量从流体和结构，但流体的贡献在较高的模式是最小的。对于这里考虑的粘性和过渡流条件，空间和时间正交模式显示出惊人的相似的相干流结构。我们的研究有望帮助开发数据驱动的降维数学模型，以研究生物启发的游泳机器人的动力学，并开发新的有效的控制策略，使其性能更接近真实的鱼类。
2020-05-18 physics.flu-dyn
Quasi-periodicity and multi-scale resonators for the reduction of seismic vibrations in fluid-solid systems
本文提出了一个数学模型的振动隔离应用于弹性流体填充容器的行业启发的问题。解决了多尺度流固系统有限宽频率区间内振动抑制的基本问题。我们已经开发了一个系统的方法，采用完整的流固相互作用和色散分析，可以应用于有限和周期性的多尺度系统。分析结果伴随着数值模拟，包括频率响应分析和瞬态政权计算。
2018-03-08 physics.flu-dyn
Effects of Design and Hydrodynamic Parameters on Optimized Swimming for Simulated, Fish-inspired Robots
Department of Mechanical Engineering, Penn State University（宾夕法尼亚州立大学机械工程系）
在这项工作中，我们开发了一个数学模型和仿真平台的鱼启发的机器人模板，即磁性，模块化，波动机器人（$μ$机器人）。通过该平台，我们通过强化学习系统地探索了设计和流体参数对游泳性能的影响。数学模型由两个相互作用的子系统组成，机器人动力学和流体动力学，流体动力学模型由反应性分量（附加质量和压力）和阻力分量（阻力和摩擦力）组成，然后将其无量纲化，用于推导机器人-流体相互作用的关键“控制参数”。$μ$ Bot通过谐波电压信号控制的磁致动器来致动，谐波电压信号通过基于EM的策略超参数探索（EPHE）来优化以最大化游泳速度。通过改变控制参数，共36例不同的机器人模板变化（驱动数（NoA）和刚度）和流体动力学参数进行了仿真和优化，通过EPHE。结果表明，优化步态的波长（即，沿着身体的行波）与模板变化和流体动力学参数无关。更高的NoA产生更高的速度，但单位体长的速度较低，然而，随着增益的减少，单位体长的速度较低。身体和尾鳍步态动力学流体附加质量，弹簧和驱动扭矩之间的相互作用占主导地位，流体阻力阻力的贡献可以忽略不计。相反，推力的产生主要是由尾鳍上的压力作用，稳定的游泳阻力和压力之间的平衡，从附加质量和身体阻力的贡献很小。因此，附加质量力仅通过尾鳍动力学间接影响推力产生和游泳速度。
2021-11-10 cs.RO physics.flu-dyn
Aeroelastic characterisation of a bio-inspired flapping membrane wing
像蝙蝠这样的自然飞行者可以很容易地利用它们柔性薄膜翅膀和空气之间复杂的流体结构相互作用。然而，复制和缩放的结构和流体动力学参数的非定常膜翼的工程应用之间的平衡仍然具有挑战性。在这项研究中，我们介绍了一种新的生物启发膜翼的设计和系统地研究扑动膜翼的流固耦合。薄膜翼可以被动地弯曲，并且其前缘和后缘相对于行程平面旋转。我们发现膜的性能和扑动运动学的最佳组合，表现出刚性的同行，无论是在增加冲程平均升力和效率，但改善是不是持久的整个输入参数空间。升力和效率最佳值出现在不同的攻角和有效膜刚度下，我们用气动弹性数来表示。在最佳气动弹性数下，膜具有介于15%和20%之间的适度弯度，并且其前缘和后缘有利地与流动对齐。在较低的气动弹性数下，由于前缘的负攻角和后缘的过度旋转，较高的弯度导致气动性能降低。膜翼相对于刚性翼的大部分性能增益是在机翼减速时的行程的后半部分实现的。冲程最大外倾角在冲程中期左右达到，但在冲程的其余大部分时间内保持不变，这导致升力增加和功率减少。研究结果表明，变刚度和迎角变化相结合可以显著提高薄膜翼的气动性能，具有提高微型飞行器控制能力的潜力。
2022-06-16 physics.flu-dyn
On a model-based analysis of vortex formations and decay in flows through bio-inspired T-shaped cavities
在倒置的T形空腔中的流体输送，其中流体通过顶部进入并从两个底部出口离开，经历了一种有趣的现象，该现象导致密度低于流体介质的密度的颗粒被捕获在水平地层中的接合处。然而，这只发生在小范围的雷诺数，也在层流状态。这一意外现象被证实是由于流动中涡流管的形成而引起的。有趣的是，这种T形（或者更一般地，Y形）腔也在解剖路径中相当广泛地看到，例如，在动物上呼吸道。可以假设，这种捕获现象也可以出现在这样的几何形状中。我们目前的模型模拟的发生与水作为周围的流体介质通过一个理想化的T形空间，并测量在每个臂的交界处的旋涡的长度。在我们的研究中，我们使用层流状态下的雷诺数400进行了调查，并使用流向流在涡流耗散时达到的节点最大速度的概念估计了涡流管长度。涡度和螺旋度等值线的变化，因为一个去进一步远离交界处也有报道。
2022-11-13 math.DS physics.flu-dyn
Ultra-fast escape maneuver of an octopus-inspired robot
我们设计并测试了一个章鱼启发的灵活的船体机器人，展示了出色的快速启动性能。机器人用水过度充气，然后迅速放气以排出流体，从而为逃生动作提供动力。使用这个机器人，我们验证了第一次在实验室测试中，快速的尺寸变化可以大大减少分离的钝体旅行几个身体的长度，并恢复流体能量，可以用来提高推进性能。该机器人被发现每秒的速度超过10个身体长度，超过了类似推进的最佳流线型刚性火箭。机器人上的峰值净推力是执行相同机动的最佳刚体上的2.6倍以上，实验证明了大的能量回收和使加速度大于14个身体长度每秒平方。最后，超过53%的可用能量转化为有效载荷动能，这一性能超过了快速启动鱼类的估计能量转化效率。基于最终速度和机器人长度的雷诺数为$Re \approx 700,000$。我们利用实验数据建立了基本的放气缩放参数$σ^*$，该参数表征了通过形状变化进行流动控制的机制。基于此缩放参数，我们发现，快速启动性能提高与规模的增加。
2014-10-24 physics.flu-dyn
Aerodynamic performance and robustness of a nature-inspired concept for a micro-scale wind turbine
Universidad Carlos III de Madrid（马德里卡洛斯三世大学）；ITP Aero（ITP航空）；California Institute of Technology（加州理工学院）；TU Wien（维也纳工业大学）
本文通过流固耦合直接数值模拟研究受带翅种子自转启发的双自由度微型单叶片转子，验证其在 Re=240 下可稳定提取功率且对湍流鲁棒，但效率仍低于固定叶片设计。
2025-09-29 physics.flu-dyn
Quantum-Inspired Tensor-Network Fractional-Step Method for Incompressible Flow in Curvilinear Coordinates
University of Hamburg（汉堡大学）；German Aerospace Center (DLR)（德国航空航天中心）；Hamburg University of Technology（汉堡工业大学）；The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging（汉堡超快成像中心）；University of Oxford（牛津大学）
本文提出基于张量网络的算法框架，用于计算浸没物体周围的流体流动，通过压缩张量表示实现高效模拟，验证了该方法在稳态和非稳态流体流动中的有效性，并展示了在内存和运行时间上的优势。
2025-07-07 physics.flu-dyn quant-ph
