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
Triglobal resolvent analysis of swept-wing wakes
通过三体预解式分析，揭示了翼尖和后掠角对后掠翼层流分离尾迹的影响。对于目前的研究，我们考虑半展弦比从$1$到$4$，后掠角从$0^\circ$到$45^\circ$，攻角为$20^\circ$和$30^\circ$，弦基雷诺数为$400$，马赫数为$0.1$的机翼。使用直接数值模拟，我们观察到，非后掠机翼发展涡脱落附近的翼根与准定常的尖端涡。对于后掠翼，小后掠角时在翼尖附近观察到涡脱落，而大后掠角时尾流是稳定的。为了进一步深入了解流动不稳定的机制，triglobal预解式分析被用来确定最佳的空间输入输出模式对和相关的增益在一定的频率范围内。三维强迫和响应模式表明，谐波波动是针对非后掠翼的根部和后掠翼的翼尖。强迫-响应模态对的重叠区域揭示了与后掠翼自持非定常尾流有关的三体预解式波生子。此外，我们表明，低展弦比机翼的最佳扰动发展在整个翼展的全球。本研究揭示了翼尖和后掠角对后掠机翼分离流的最佳谐波扰动和尾流动力学增长的影响。
2022-12-05 physics.flu-dyn
Laminar separated flows over finite-aspect-ratio swept wings
我们对弦基雷诺数为$Re = 400$的有限展弦比后掠机翼上的层流分离流进行了直接数值模拟，以揭示在展弦比（$sAR=0.5-4$）、攻角（$α=16^{\circ}-30^{\circ}$）和后掠角（$Λ=0^{\circ}-45^{\circ}$）范围内产生的各种尾流结构。后掠翼尾流的动力学特性比非后掠翼尾流复杂。对于非后掠机翼，尾流动力学主要受翼尖效应的影响。定常尾流主要限于小展弦比机翼。由于翼尖涡引起的下洗减弱，在高$AR$机翼翼展中部附近发生非定常涡脱落。随着后掠角的增加，三维源从叶尖过渡到中跨。沿中跨两侧形成一对对称的旋涡结构，以类似于由叶尖涡引起的下洗的方式相互施加向下的速度。这种稳定的中跨效应不仅将定常尾流区域扩展到更高的展弦比，而且还增强了升力。在大展弦比时，后掠翼的中展效应在外侧区域减小，允许非定常涡脱落在翼尖附近发展。在大后掠机翼的尾流中，沿翼展反复形成流向指状结构，提供稳定效果。从这项研究中揭示的见解可以帮助高升力装置的设计，并作为一个垫脚石，了解复杂的尾流动力学在较高的雷诺数和非定常机翼机动产生的。
2020-05-19 physics.flu-dyn
Aeroelastic mode decomposition framework and mode selection mechanism in fluid-membrane interaction
在这项研究中，我们提出了一个整体傅立叶模式分解框架的非定常流固耦合。我们应用该框架隔离和提取的气动弹性模式所产生的耦合三维流体膜系统。所提出的框架被用来将流体和结构域中的物理变量以统一的方式分解为频率排列的气动弹性模态。通过模态分解分析，我们观察到涡脱落和结构振动之间的频率同步。本文研究了柔性在气动弹性模态选择中的作用，并对刚性机翼、刚性弯曲机翼和柔性薄膜的流动特性进行了系统的比较。借助于模态分解技术，我们发现在不同的攻角下，结构的主要模态表现出弦向第二模态和展向第一模态。对应于该模态的结构固有频率使用近似解析公式来估计。通过研究耦合系统的主频率，我们发现主振型的选择是通过主涡脱落频率和结构固有频率之间的频率锁定来实现的。从流体模态和$α=20^\circ$和$25^\circ$处的模态能量谱中发现，对应于低于主频率的非整数频率分量的气动弹性模态与钝体涡脱落不稳定性有关。在大迎角下观察到的非周期气动弹性响应与由频率锁定和钝体状涡脱落引起的气动弹性模态之间的相互作用有关。
2021-07-12 physics.flu-dyn
Quasi-steady aerodynamics predicts the dynamics of flapping locomotion
New York University（纽约大学）
本文通过准稳气动力学模型揭示振翅运动中升力与阻力的变化规律，展示了其在不同雷诺数和攻角下的应用范围和物理意义。
2026-04-06 physics.flu-dyn
Large-amplitude membrane flutter in inviscid flow
本文研究了二维无粘流体流动中具有涡面尾迹的薄膜（零弯曲刚度）的大幅颤振。我们应用小的初始偏转和跟踪其指数衰减或增长和随后的大幅度动态的空间中的三个无量纲参数：膜预张力，质量密度和拉伸模量。在两端固定的情况下，所有膜收敛到稳定的偏转形状，具有几乎前后对称的单个隆起，除非变形过大。在前缘固定和后缘自由的情况下，膜在小质量密度下以非常小的振幅和高的空间和时间频率颤振。随着质量密度的增加，膜过渡到周期性运动，然后越来越多的非周期性运动，振幅增加，空间和时间频率降低。在两个边缘都自由的情况下，膜的颤振类似于固定自由的情况，但也以稳定的、周期性的或非周期性的轨迹垂直平移，并且具有非零的斜率，导致相对于迎面而来的流的小攻角。
2019-07-16 physics.flu-dyn
Laminar vortex dynamics around forward-swept wings
前掠翼在飞行器的空气动力学性能方面具有独特的优势。然而，这种机翼的低雷诺数特性在过去还没有被研究过。本文对半展弦比$sAR=0.5$ ~ 2的前掠机翼在弦基雷诺数为400时的层流分离流进行了数值研究。前掠翼产生的尾流与后掠翼产生的尾流明显不同。对于小展弦比的前翼，由于翼尖涡引起的强烈下洗效应，尾流保持稳定。对于较大的展弦比，下洗效应在机翼内侧区域减弱，允许出现非定常涡脱落。更大的展弦比允许大后掠机翼形成流向涡，稳定气流。前掠翼可以比非后掠翼和后掠翼在大迎角下产生更大的升力，但代价是高阻力。通过力元分析表明，前掠机翼升力的增加是由于在翼展外侧区域由翼尖涡诱导的下洗所维持的涡结构。目前的研究结果提供了一个详细的了解前掠翼层流分离流的后掠效应，并邀请高升力装置的创新设计。
2021-09-18 physics.flu-dyn
Data-Driven Discovery and Formulation Refines the Quasi-Steady Model of Flapping-Wing Aerodynamics
Graduate School of Science and Engineering, Chiba University（Chiba大学科学与工程研究生院）
本研究通过数据驱动方法从5000个候选函数中识别并公式化三个被忽视的机制，显著提升了准定常扑翼气动模型在鹰蛾和果蝇飞行中的预测精度，为昆虫飞行理解和仿生机器人开发提供快速分析工具。
2025-08-26 cs.LG physics.bio-ph physics.flu-dyn
On the Control of a Leading-Edge Vortex & its Liftoff on a Cranked, Swept Back Wing
本研究针对折线后掠λ翼的内侧前缘涡脱落及外翼流动影响问题，采用SPIV观测流动分离特征，通过超声速射流缓解分离并改变俯仰特性，借助POD揭示分离结构非定常性与颤振风险。
2024-04-12 physics.flu-dyn
Membrane flutter in three-dimensional inviscid flow
我们开发了一个模型和数值方法来研究大振幅颤振的矩形膜（零弯曲刚度），脱落的尾随涡片尾迹在三维（3D）无粘流体流。我们应用小的初始扰动，并跟踪其衰减或增长的大振幅稳态运动。对于12个组合的边界条件在膜的边缘，我们计算的稳定性阈值和随后的大振幅动态跨膜的质量密度，预张力和拉伸刚度的三个参数的空间。与自由侧边，我们发现与以前的2D结果，使用不同的离散化方法很好的协议。我们发现，在12种情况下的3D动态自然形成四组的基础上的条件在前缘和后缘。偏转振幅和振荡频率具有与2D情况下类似的缩放。在侧边的条件，虽然一般不太重要，可能有小或大的定性影响膜动力学-例如，稳定与非稳定，周期与混乱，或展向曲率分布的品种-取决于组和物理参数值。
2022-06-15 physics.flu-dyn
Characterisation and extension of a rigid body dynamics solver coupled with OpenFOAM for flight performance analysis of flapping-wing drones
针对OpenFOAM耦合刚体动力学求解器用于扑翼无人机模拟的两大局限，该研究对其进行扩展验证，通过多自由度扑翼无人机上升飞行模拟明确了计算瓶颈并分析了机翼翼体相互作用。
2025-10-28 physics.flu-dyn
Rough or Wiggly? Membrane Topology and Morphology for Fouling Control
反渗透膜（ROM）过滤系统广泛应用于废水回收、海水淡化、垃圾填埋场水处理等领域。在过滤过程中，膜污染会显著影响系统性能，导致渗透通量显著下降，同时增加系统运行所需的能量输入。通过研究膜结构、局部流场、局部溶质浓度和污染物吸附模式之间的耦合关系，设计和优化ROM过滤系统，以减少膜污染。然而，目前的研究只集中在过度简化的稳态模型，忽略了任何动态之间的耦合的流体动力学和通过膜的运输，而膜的设计仍然通过试验和错误。在这项工作中，我们开发了一个模型，耦合的瞬态Navier-Stokes和对流扩散方程，以及吸附-解吸方程的污垢积累，我们验证它对不稳定的测量渗透通量以及稳态空间污垢图案。此外，我们分析表明，对于一个直的通道，一个普遍的比例关系之间存在的舍伍德和Bejam数。然后，我们将这一结果推广到膜的形态和/或拓扑修改。我们证明，通用的缩放行为可以通过定义的修改后的雷诺数，占膜修改引入的额外的长度尺度，和膜性能指数，这代表了一个总的效率措施，相对于清洁渗透通量和能量输入操作系统所需的定义。
2018-09-01 physics.flu-dyn
Linear modal instabilities around post-stall swept finite-aspect ratio wings at low Reynolds numbers
本文用数值方法研究了在雷诺数为400时，在展弦比为4和8的两个机翼上，在一定迎角和后掠角范围内，有限翼展非锥形机翼上流动的线性模态不稳定性。底流是通过直接数值模拟产生的，将非定常不可压缩三维纳维-斯托克斯方程推进到定常状态，或使用选择性频率阻尼获得定常线性不稳定流。本文首次用谱元时间步进解算器识别了后掠机翼的三维非稳定线性整体模态。机翼几何形状和流动参数对这些模式的影响已被详细研究。发现增大迎角会使流动不稳定，而增大后掠角则有相反的效果。在非后掠机翼上，TriGlobal分析表明，最不稳定的整体模态峰值出现在尾流的中翼展区域;随着后掠的增加，模态结构的峰值向翼尖移动。然后，采用数据驱动分析来研究机翼几何形状和流动条件对非线性尾迹的影响。在非后掠机翼上，小迎角时的主导模态是类似开尔文-亥姆霍兹不稳定性，在性质上类似于相同条件下无限翼展机翼的整体模态。在大迎角和中等后掠角时，主要模态是称为干扰模态的结构。在大后掠角时，这种模态在大展弦比机翼上演变成细长的流向涡，而在较短机翼上，它变得与叶尖涡不稳定性难以区分。
2021-02-08 physics.flu-dyn
Laminar post-stall wakes of tapered swept wings
本文通过直接数值模拟研究了锥度和后掠对层流分离尾流的影响，发现锥形后掠翼虽增加流动不稳定性，但相比无锥度无后掠机翼具有更高的时间平均升力和升阻比。
2023-10-19 physics.flu-dyn
Bio-inspired Flexible Twisting Wings Increase Lift and Efficiency of a Flapping Wing Micro Air Vehicle
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）；Max Planck Institute for Intelligent Systems（马克斯·普朗克智能系统研究所）
研究了机翼扭转柔性对可起飞的微型扑翼飞行器升力和效率的影响。由于建模和制造的限制，以前使用的机翼被选择为完全刚性的。然而，生物翅膀是高度灵活的，其他微型飞行器已经成功地利用灵活的机翼结构来执行专门的任务。我们研究的目的是确定柔性机翼的动态扭转是否可以增加整体气动升力和效率。与刚性机翼设计相比，柔性扭转机翼设计可使气动效率增加41.3%，平移升力增加35.3%，有效升力系数增加63.7%。这些结果超过了准定常叶素模型的预测，表明扭曲扑翼的非定常计算流体动力学模拟的需要。
2020-01-24 cs.RO 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
Energetic and Control Trade-offs in Spring-Wing Systems
本研究通过Weis-Fogh数分析弹簧-机翼系统在扰动下的响应，发现为最大化能量效率设计的共振系统会随该参数升高而牺牲敏捷性与稳定性，揭示了昆虫飞行中机械共振的能量与控制权衡。
2024-03-06 physics.bio-ph 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
Non-equilibrium molecular dynamics of steady-state fluid transport through a 2D membrane driven by a concentration gradient
本文首次提出非平衡分子动力学算法模拟浓度梯度驱动的二维膜稳态流体输运，验证其与Onsager倒易关系一致且效率更高，并与连续介质理论定量对比，为二维材料膜应用提供分子层面理解。
2023-09-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
An improved aerodynamic model for quasi-steady simulations of animal flight at moderate Reynolds numbers
本研究通过实验与数值方法，建立了适用于中等雷诺数动物飞行的改进准稳态气动模型，验证了其在鸽子和蝙蝠前飞模拟中的准确性，为扑翼机器人设计提供了关键依据。
2025-03-20 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Eigenmode analysis of membrane stability in inviscid flow
我们研究的不稳定性的薄膜（零弯曲刚度）的平面外偏转，当膜是沉浸在一个无粘流体流和脱落的尾随涡片尾迹。我们迭代求解的非线性特征值问题与大合奏的初始猜测，为三个典型的边界条件-两端固定，一端固定和一个自由，和都自由。在几个数量级的膜质量密度，我们发现不稳定的发散或颤振（特别是在大质量密度，或与一个或两个自由端）。最不稳定的本征模通常在较小的质量密度和较小的张力下变得“波动”，但具有非单调行为的区域。我们发现，在小振幅的非定常时间步进模拟良好的定量协议，但只有定性的相似性，最终的稳态大振幅运动。
2020-10-08 physics.flu-dyn
Supersonic triple deck flow past a flat plate with an elastic stretch
本文在三层理论的框架内研究了定常层流超声速绕流平板的问题，平板上有一段弹性薄膜，薄膜另一侧的压力是可调的。由此产生的下层甲板的问题是补充与膜方程有关的跨膜的压力差，其曲率。通过对膜加压或减压，膜呈现改变流动特性的隆起或凹陷的形式。在这两种情况下，得到的数值解，给出合理的帐户之间的相互作用的膜和流动。
2012-09-21 physics.flu-dyn
Analysis of Circulation Control Jet Bi-Stability on a Wing Section at Transonic Speeds via Dynamic Mode Decomposition
本研究通过数值模拟和动态模态分解分析了跨声速下椭圆翼型环量控制射流的双稳态现象，发现该现象由后缘激波与下游压力气泡间的压力反馈驱动，并可通过降阶模型高效重建压力场。
2025-11-04 physics.flu-dyn
A novel 3D variational aeroelastic framework for flexible multibody dynamics: Application to bat-like flapping dynamics
提出了一种新型的扑翼三维变分气动弹性框架，该框架具有受外部不可压缩湍流作用的柔性多体系统。所提出的气动弹性框架包括一个三维流体求解器与延迟分离涡模拟（DDES）和一个非线性整体弹性结构求解器的柔性多体系统的约束。径向基函数（RBF）应用于该框架中的离散非匹配的界面网格，同时满足全局能量守恒的气动力和结构位移的传递。流体方程在空间上采用稳定的Petrov-Galerkin方法离散，在时间上采用广义$α$方法积分。采用几何精确共旋有限元法求解柔性多体系统，并采用能量衰减格式保证约束条件下多体系统求解器的数值稳定性。采用交错分区迭代的非线性迭代力修正（NIFC）格式，以保持强附加质量效应下气动弹性耦合问题的数值稳定性。利用所提出的气动弹性框架对具有扑动运动的各向同性铝机翼进行了数值模拟，并利用已有的实验数据验证了耦合解的准确性。接下来，我们研究的鲁棒性和可靠性的3D柔性多体气动弹性框架的各向异性扑翼飞行，涉及板条和膜与复合材料和对比实验结果。最后，我们展示了气动弹性框架的蝙蝠一样的翅膀和研究的灵活性扑翼动力学的影响。
2018-07-12 physics.flu-dyn
Sail dynamics during tacking maneuvers
该研究探究抢风调向中帆膜的翻转动力学，明确稳态参数决定翻转可能性、动力学参数影响翻转时长，同时发现松弛帆更难翻转，为帆船航行操控优化提供了动力学依据。
2024-10-07 physics.flu-dyn
Flapping dynamics of a compliant membrane in a uniform incoming flow
本研究通过数值模拟探究均匀来流中拍动柔性膜的推进性能，明确了拉伸系数等参数的最优值，揭示了推力产生机制，并基于现有标度律得到了推力与功率系数的预测方法。
2025-07-31 physics.flu-dyn
Thin ring wing as a means of flow improvement upstream of a propeller
本文研究用薄环翼作为被动涡流发生器改善螺旋桨上游流动不规则性，通过线性理论求解并估算诱导纵向涡强度，结合拖曳水池实验验证其减振降噪有效性。
2025-02-06 cs.AI physics.flu-dyn
Separation control applied to the turbulent flow around a NACA4412 wing section
本研究通过高分辨率大涡模拟评估NACA4412翼型上的分离控制方法，发现均匀吹吸气可延迟分离并提升升力11%，但效率增益有限，周期性控制无效，为首次全面评估此类控制的数值研究。
2025-04-24 physics.flu-dyn
Dynamic Modes of Microcapsules in Steady Shear Flow: Effects of Bending and Shear Elasticities
采用基于泰勒变形参数$α_{\rm D}$、倾斜角$θ$和膜旋转相位角$ϕ$的理论方法研究了稳态剪切流中微胶囊的动力学。结果表明，动态相图随薄膜剪切弹性和弯曲弹性比值的增大而发生显著变化。流体囊泡（无剪切弹性）表现出三种动态模式：（i）在内部流体的低粘度$η_{\rm {in}}$下的坦克踩踏（TT）（$α_{\rm D}$和$θ$松弛至恒定值），（ii）在高$η_{\rm {in}}$下的翻滚（TB）（$θ$旋转），和（iii）在中$η_{\rm {in}}$和高剪切速率$\dotγ$下的摆动（SW）（$θ$振荡）。所有三种模式都伴随着膜（$ϕ$）旋转。对于低剪切弹性的微胶囊，$ϕ$转动的能垒诱导了无$ϕ$转动的TB相以及SW和TB运动的共存相。$ϕ$旋转与TB旋转或SW振荡的同步以旋转频率的整数比发生。在高剪切弹性下，势能中的鞍点消失，中间相消失，并且发生$ϕ$或$θ$旋转。这种相行为与最近的模拟结果，低弯曲弹性的微胶囊。
2010-03-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Spanwise variations in membrane flutter dynamics
本文研究三维无粘流中矩形薄膜的大振幅颤振，系统考察质量、预张力、边界条件、泊松比与展弦比影响，揭示显著展向非均匀振荡及稳态规律。
2024-10-26 physics.flu-dyn
Towards adaptive simulations of turbulent wings at high Reynolds numbers
高阶谱元法代码Nek 5000中的自适应网格加密（AMR）已通过翼型绕流的高分辨大涡模拟（LES）得到验证。在目前的工作中，绕NACA 4412型线在弦基雷诺数$Re_c=200,000$的流动进行了研究，在两个不同的攻角：5和11度。该网格是从一个非常粗糙的初始网格体积加权频谱误差指标的装置，直到一个足够的分辨率水平是在边界和尾区实现。AMR的非共形实现允许使用大的域，避免了需要前体RANS模拟来获得边界条件（BC）。这就消除了定常狄利克雷边界条件对流动的影响，在大迎角时（特别是在后缘和尾流区附近），这种影响成为相关的误差源。此外，避免了远场和相关联的高纵横比元素中的过度细化，这意味着求解器的更少的压力迭代和减少的元素数量，这导致相当大的计算成本降低。平均流量统计数据进行了验证，使用实验数据获得相同的配置文件中的最小湍流级（MTL）风洞在KTH，以及与以前的DNS模拟，显示出良好的协议。这项工作是研究更强的压力梯度和更高的雷诺数复杂的流动与高保真度，高阶模拟允许实现的方向迈出了重要的一步。最终，该数据库可用于湍流模型的开发和改进，特别是壁模型。
2021-08-27 physics.flu-dyn
Numerical validation and physical explanation of the universal force theory of three-dimensional steady viscous and compressible flow
在最近的一篇论文中，Liu et al. [``Lift and drag in three-dimensional steady viscous and compressable flow ''，Phys. Fluids 29，116105（2017）]获得了一个通用的理论，用于三维稳定流中物体上的气动力，从不可压缩一直到超音速状态都有效。在该理论中，总气动力可以仅由定常线性远场中单个尾迹面上的涡量分布来确定。尽管这一结果至关重要，但其有效性和在实践中的表现尚未得到研究。本文对三维机翼的亚音速、跨音速和超音速流动进行了雷诺平均纳维尔-斯托克斯数值模拟。由万有力理论得到的气动力与由标准壁面应力积分得到的气动力进行了比较。这两个公式之间的协议首次证实了理论的有效性在三维定常粘性和可压缩流。普适公式的良好性能主要是由于尾流中的湍流粘度远大于其中的分子粘度，这可以显著减小定常线性远场到物体的距离。为了进一步验证理论的正确性，将理论计算结果与数值模拟结果进行了比较。通过识别尾流中不同的涡量源来解释与理论的普遍性相关的基本物理。
2020-12-21 physics.flu-dyn
Steady cone-jet mode of electrospray for single-cell deposition
Universidad de Extremadura（埃斯特雷马杜拉大学）
利用电喷雾锥喷模式在最小流率稳定性极限附近实现单细胞沉积，通过薄喷射实现高空间分辨率，验证了该方法在细胞存活率上的有效性。
2026-03-24 physics.flu-dyn
Steady periodic hydroelastic waves and Wilton ripples with constant vorticity
Jiangsu University（江苏大学）
该研究分析有限深度常涡量流体的稳态周期水弹性波，推导自由表面的四阶拟线性伪微分方程，得到1:2共振下的倍周期二次分支，给出二次本构律的共振系数闭式及层流滞止线判据。
2026-08-18 math.AP physics.flu-dyn
State-space aerodynamic model reveals high force control authority and predictability in flapping flight
The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）
飞行动物依靠快速、大自由度的扑翼运动，这是将它们与气动表面运动有限的旋转或固定翼机器人飞行器区分开来的关键特征。然而，扑翼空气动力学的特点是高度不稳定和三维流动难以建模或控制，准确的气动力预测往往依赖于昂贵的计算或实验方法。在这里，我们开发了一个计算效率和数据驱动的状态空间模型，以动态地将机翼运动学映射到气动力/力矩。该模型用548个不同的扑翼运动进行了训练和测试，并超过了现有准定常模型的精度和通用性。该模型使用12个状态来捕获与力产生相关的非定常和非线性流体效应，而没有流体流动的明确信息。我们还对关键机翼运动变量的控制权威性进行了全面评估，发现瞬时气动力/力矩在很大程度上可通过半冲程周期内的机翼运动历史来预测。此外，迎角、法向加速度和俯仰运动对气动力/力矩产生的影响最大。我们的研究结果表明，扑翼飞行固有地提供了高的力控制权威和可预测性，这可能是发展敏捷和稳定的空中飞行员的关键。
2021-08-04 cs.RO physics.flu-dyn
Patagium and tail morphology shape aerodynamic performance and control authority in gliding-mammal-inspired wings
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
通过计算流体动力学研究滑翔哺乳动物翼膜和尾部形态对升力、阻力、失速及控制能力的影响，发现不同形态存在气动权衡，为仿生飞行器设计提供指导。
2026-07-03 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Interplay between adsorption and hydrodynamics in nanochannels: towards tunable membranes
我们研究了近临界二元混合物在纳米孔中的吸附如何通过孔内的流动来修改。我们确定了三种类型的稳定状态后的变化的孔Péclet数（${\rm Pe}_p$），这可以通过施加外部压力可逆地访问。有趣的是，对于小的${\rm Pe}_p$，孔充当分离混合物的弱选择性膜。对于中间体${\rm Pe}_p$，流动有效地转移了孔中的吸附，从而打开了通过孔的增强和可调溶质输送的可能性。对于大的${\rm Pe}_p$，吸附在孔内逐渐减少，伴随着远离孔的混合物的长范围分散。
2016-11-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
High-lift Wing Separation Control via Bayesian Optimization and Deep Reinforcement Learning
TUAREG, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)（TUAREG，西班牙巴塞罗那理工大学）；Mechanical Engineering, Delft University of Technology (TU Delft)（代尔夫特理工大学机械工程系）；CASE, Barcelona Supercomputing Center (BSC)（巴塞罗那超级计算中心）
研究通过贝叶斯优化和深度强化学习优化高升力翼型的主动流动控制，在Re=450000和攻角23度条件下，通过合成喷嘴提升效率，优化策略在维持升力的同时减少阻力，但深度强化学习效果有限。
2026-05-12 cs.AI physics.flu-dyn
Suspensions of viscoelastic capsules: effect of membrane viscosity on transient dynamics
本文通过IB-LB数值模拟研究膜黏度对粘弹性胶囊悬浮液瞬态动力学的影响，发现其作用随体积分数非平凡变化，稠密高表面黏度悬浮液更抗变形但加载时间与无表面黏度胶囊相当，为设计更丰富的力学特征组合提供了新可能。
2023-07-03 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Absolute vs Convective Instabilities and Front Propagation in Lipid Membrane Tubes
我们分析了生物膜管的稳定性，有和没有一个基本的流动脂质。膜动力学完全由两个无量纲数来描述：众所周知的Föppl-von Kármán数$Γ$和最近引入的Scriven-Love数$SL$，分别量化了基础张力和基础流速。对于不稳定管，局部扰动的增长率仅取决于$Γ$，而$SL$控制不稳定性的绝对或对流性质。此外，不稳定管的非线性模拟揭示了一个最初的本地化扰动的结果在传播前，留下一个薄萎缩管在其尾迹。根据$Γ$的值，细管通过振荡或单调的形状过渡连接到未受干扰的区域--这让人想起最近关于轴突收缩和萎缩的实验观察。我们阐明了我们的研究结果，通过弱非线性分析，这表明膜动力学可以近似的扩展Fisher-Kolmogorov方程类的模型。我们的研究揭示了轴突形状的模式选择机制，通过识别存在两个Lifshitz点，在该点前动态进行稳定振荡分叉。
2022-02-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Axisymmetric flow due to a Stokeslet near a finite-sized elastic membrane
弹性约束在许多软物质体系中起着重要作用，并影响着粘性流中悬浮颗粒的输运特性。基于低雷诺数流体动力学理论，本文提出了一种有限尺寸圆形弹性膜轴对称流动的解析理论，该流动是由沿对称轴指向的点力奇异性（Stokeslet）引起的。粘性不可压缩流的解决方案制定的膜周围的混合边值问题，然后将其减少到一个系统的对偶积分方程的区域边界的内侧和外侧。我们表明，弹性流体动力学问题的解决方案，可以方便地表示为一组非齐次Fredholm积分方程的第二类对数核。基于流体动力学流场，得到了垂直于圆膜作平移运动时流体动力学迁移率函数的半解析表达式。计算结果对颗粒半径与颗粒离膜距离之比的超前阶数是有效的。在准定常极限下，我们发现在有限尺寸的膜附近的粒子迁移率总是大于在相同尺寸的无滑移圆盘附近的粒子迁移率。我们进一步表明，弯曲相关的流体动力学流动性的贡献单调增加时，减少膜的大小，而剪切相关的贡献显示一个最小值时，颗粒膜的距离等于膜的半径。因此，取决于系统的几何和弹性性质，系统行为可以是剪切或弯曲主导的。我们的研究结果可能会发现在弹性细胞膜附近的纳米粒子为基础的传感和药物输送系统的领域中的应用。
2019-04-11 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
The dynamics of a capsule in a wall-bounded oscillating shear flow
本文用加速边界积分方法研究了初始球形胶囊在壁面振荡剪切流中的运动。采用neo-Hookean模型作为胶囊膜的本构关系。当施加的剪切的振荡周期是弹性膜的弛豫时间的顺序时，观察到最大的壁正常迁移;因此，最佳毛细管数与振荡频率的倒数成比例，并且在高频振荡的限制下，该比率与理论预测一致。迁移速度随剪切频率和囊壁距离的增大而单调减小。我们报告了一个显着的相关性胶囊横向迁移和正常的应力差异引起的流动。胶囊变形的周期性变化与迁移速度和正应力差的周期性变化大致同相，其频率为施加剪切的两倍。当变形受到沿相同方向施加剪切的时间限制而不是受到膜可变形性限制时，在达到较高毛细管数的平台之前，最大变形随膜弹性线性增加。膜的最大变形的比例作为到壁的距离的1/3的权力观察胶囊和液滴在近壁稳定剪切流。
2015-07-18 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Vesicle Dynamics in a Confined Poiseuille Flow: From Steady-State to Chaos
红细胞（RBC）是血液的主要成分，血液的流动由RBC的流动决定。我们采用囊泡，其中包括封闭的双层膜包围的流体，作为一个模型系统，以研究红细胞的行为下，一个封闭的Poillille流。我们广泛地探索两个主要参数：i）通道内囊泡的限制程度，和ii）流动强度。丰富而复杂的动态囊泡揭示了从稳态形状（降落伞和拖鞋的形式）到混沌动力学的形状。混沌通过囊泡形状的多个周期性振荡的级联发生。我们总结了我们的结果在参数平面（限制程度，流动强度）的相图。这一发现突出了在小雷诺数下流动的囊泡的复杂性水平，其中在没有囊泡的情况下流动是层流的，并且由于囊泡的弹性可以呈现湍流。
2014-09-09 cond-mat.soft nlin.CD physics.bio-ph
