《Ocean Engineering》：Flow control over a horizontal cylinder by symmetrically distributed flexible body
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柔性体对水平圆柱升力抑制的实验研究。通过波浪-水流槽实验，分析不同参数柔性体对涡流脱落和压力分布的影响，发现柔性体显著降低均匀流和波浪-水流联合作用下的升力，其最大曲率与涡街相位滞后相关，最优性能来自参数组合优化。
周建军|游在金|刘家斌|郭安新
大连海事大学港口与海洋安全研究中心，中国大连，116026
摘要
本研究通过实验探讨了使用柔性体对水平圆柱体进行流控制的效果。对称柔性体的上下部分被固定在实验室波浪-水流水池中的浸没圆柱模型上。通过粒子图像测速（PIV）技术分析了流场与柔性体之间的瞬态相互作用。通过改变柔性体的固定位置、长度和厚度，系统地研究了其对结构的减载效果。实验结果表明，在均匀水流和波浪-水流条件下，柔性体显著降低了升力。控制机制通过压力分布的波动和非稳态流动特性得以揭示。柔性体表现出分布式的变形，并在尾流涡旋形成过程中达到最大曲率，其对涡旋作用的响应存在相位滞后。在适当的柔性体参数组合下，可以获得最佳的流控制性能。这项研究提供了实验证据，支持在海洋工程应用中使用柔性结构来调节尾流动力学以减轻载荷的可行性。
引言
浸没的水平圆柱体广泛应用于海洋结构中，如海底光缆、海上平台和海底管道。当圆柱体后的流动变得不稳定时，会出现一种称为涡旋脱落的典型流动模式（Catalano等人，2003年；Norberg，2001年）。涡旋脱落引起的非稳态流体动力载荷显著增加了疲劳风险，影响了结构的长期可靠性（Zhou等人，2023b年）。因此，减少流体动力载荷和重塑尾流结构是减轻流动诱导振动、确保结构安全的关键基础。
已经提出了多种流控制方法来减少流体动力载荷。其中，被动装置因其无需外部能量输入且可以通过修改表面几何形状或附加辅助元件来实现而受到持续关注（Bruneau和Mortazavi，2004年；Kimura和Tsutahara，1991年）。早期的研究集中在刚性结构上以减少阻力（Kumar等人，2021年；Zhao，2023年），并且通过使用沟槽表面和疏水表面等策略取得了显著进展（Józsa等人，2020年；Paik等人，2016年；Zhang等人，2017年）。附加粗糙元件（如凸钉）也可以帮助抑制载荷和结构振动（Negretti等人，2005年；Park等人，2012年）。Park等人（2016年）通过实验表明，局部表面粗糙度可以有效抑制圆柱体的涡旋诱导振动，并识别出强抑制区和弱抑制区。Kiu等人（2011年）使用指定粒径的砂纸在圆柱体上施加可控的表面粗糙度，结果显示在亚临界雷诺数范围内阻力相应减小。此外，通过各种刚性装置也实现了升力振荡的抑制，例如螺旋挡板（Sukarnoor等人，2022年；Zhou等人，2011年）和三角形整流罩（Aksoy，2024年；Zhu等人，2017年，2024b年）。最简单但有效的装置之一是分流板，它可以显著抑制钝体后的涡旋脱落（Anderson和Szewczyk，1997年；Cui等人，2022年；Mittal，2003年；Roshko，1961年；Unal和Rockwell，1988年；Zeng等人，2023年）。基于这些研究，进一步探讨了控制效果和参数影响。然而，大多数刚性装置的性能对来流方向敏感，这限制了它们在海洋环境中的有效性，因为海洋中的水流方向通常是多变且不可预测的。
相比之下，许多自然生物进化出了能够弯曲和摆动以适应流体力的柔性结构，从而减轻载荷（Denny，1994年；Koehl，1984年）。受此现象启发，提出了自适应形状控制技术来调节流体-结构相互作用（Alben等人，2002年）。关于使用柔性板减少阻力的研究认为，其机制在于释放表面压力，从而减轻边界层内的压力梯度（Khalid等人，2021年；Wu等人，2007年）。这些研究主要关注结构本身具有柔性的情况。然而，对于实际的海洋工程应用来说，由于空间限制和强度要求，外部柔性体可能比结构本身具有柔性更为实用。外部柔性体可以在保持主体结构完整性和强度的同时提供载荷减少和流动扰动。
使用外部柔性体进行结构保护的概念也源于仿生设计（Han等人，2025年；Li等人，2020年；Zhao等人，2024a年）。例如，研究人员发现鸟类的自适应羽毛可以在飞行过程中减少风载荷（Debenedetti和Jung，2024年；Ding等人，2025年）。根据配置和固定位置，已经开发了各种柔性装置，如柔性分流板、片材和带状物，用于减少阻力和升力（Duan和Wang，2021年；Giri等人，2025年；Kim和Lee，2012年；Mousavisani等人，2025年；Mu?oz-Hervás等人，2025年；Wang等人，2022年；Zhu等人，2024a年）。Niu和Hu（2011年）实验研究了浸没在二维流动肥皂膜中的毛状圆盘的流体动力学，流动可视化解释了阻力减少机制。另一种类型的柔性体——弹性纤维，在某些条件下也可以减少阻力（Favier等人，2009年；Xiong等人，2024年）。Niedzwecki和Fang（2013年）通过实验展示了带状整流罩对柔性圆柱体涡旋诱导振动的抑制效果，并比较了在电流-波浪流动条件下带状整流罩和翼型整流罩的抑制性能（Fang和Niedzwecki，2014年）。Wang等人（2022年）表明，在有限方形圆柱体的自由端垂直固定柔性板可以通过诱导大尺度涡旋来抑制横向涡旋脱落，从而产生更对称的尾流。Li等人（2023年）的研究考察了纤维长度、弯曲刚度、俯仰幅度和频率对阻力减少的影响。Kang等人（2025）的数值研究表明，在串联配置中将被动或主动柔性鳍片连接到下游圆柱体上可以显著减少其阻力，通过改变尾流动力学。Zhao等人（2024b）的风洞研究表明，自适应柔性涂层可以被动延迟分离并缩小尾流，从而减少大约22%的阻力。Zeng等人（2023）通过数值证明，在钝体流动控制中，柔性板比刚性板表现更好。此外，柔性分流器的有效性强烈依赖于其几何和结构参数。Sharma和Dutta（2020）通过实验表明，分流板长度对带有刚性或柔性板的方形圆柱体后的尾流过渡有关键影响。Shen等人（2024）的实验揭示了柔性分流板长度对圆柱体运动、尾流动力学和空气动力的关键影响。然而，一些研究报道了柔性分流器对升力和阻力的潜在不利影响（Lee和You，2013年），表明这类装置的有效性并非普遍适用，需要进一步研究。此外，现有的柔性体方法主要关注受限配置下的阻力减少，而它们在多方向流动和升力抑制方面的适用性仍然有限。
受Gao等人（2020年）和Niu与Hu（2011年）工作的启发，本研究探讨了在雷诺数约为104的情况下，使用外部柔性体减少浸没水平圆柱体上流动诱导载荷的应用。以往的研究主要关注柔性体对阻力的影响，其有效范围仍然有限。因此，本研究同时关注升力和相关的尾流动力学。此外，为了最小化水阻引起的流体动力阻力增加，柔性体配置被重新设计为关于水平轴的开放对称结构。本文的其余部分分为三个部分。第2节描述了实验设置和程序。第3节展示了载荷抑制效果的实验结果及其相关机制。最后，第4节提供了结论性意见和讨论。
设施和测试模型
实验在配备有矩形测试段的波浪-水流水槽中进行，该测试段高度为1.9米，宽度为0.8米。该设施配备了活塞式波浪发生器和闭合回路水流生成系统。规则波浪在水槽末端通过多层斜坡型穿孔海滩吸收。Zhou等人（2023b）提供了水槽的详细描述。为了确保充分发展和稳定的入流，测试段被放置在距离...
控制效果和机制
图3展示了在U = 0.3 m/s和U = 0.5 m/s的情况下，有无柔性体时圆柱体上阻力和升力的时间历史对比。结果表明，在U = 0.3 m/s时，引入柔性体后结构阻力的振荡被抑制。然而，流体-结构接触面积的增加导致圆柱体-柔性体系统的整体粘性阻力增加。因此，柔性体在减少平均阻力方面的效果有限甚至可能不利。
讨论与结论
本研究提出了一种使用对称分布的柔性体来减少水平圆柱体上流体动力载荷的新颖流动扰动方法。通过系统实验研究了载荷抑制性能及其背后的机制。通过分析载荷、压力分布和流场，确定了影响控制效果和波浪-水流相互作用下流体动力响应的主要参数。
作者贡献声明
周建军：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。游在金：撰写——审阅与编辑。刘家斌：撰写——审阅与编辑、方法论。郭安新：撰写——审阅与编辑、资源获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者非常感谢国家自然科学基金（52438009、51921006、51725801）、黑龙江头雁创新团队计划和康奈尔大学基础研究基金（FRFCU5710093320）的财政支持。
