通过非对称粗糙度和主动表面变形产生的球体升力

本研究探讨了通过对球体表面拓扑进行气动操作以实现非对称粗糙度分布，从而在球体周围产生升力的新现象。对 Reynolds 数 ($Re = U_{\infty} d/\nu$,其中 $U_{\infty}$ 为流体速度，$d$ 为球体直径，$\nu$ 为流体运动粘度) 范围为 $6\times10^4$ 至 $1.3\times10^5$，以及凹陷深度比 ($k/d$,其中 $k$ 为凹陷深度) 范围为 $0$ 至 $1\times10^{-2}$ 的一系列系统性实验进行了彻底的研究，实验使用一个具有单侧光滑和单侧凹陷的智能可变形球体进行。研究结果表明，非对称粗糙的球体可产生最高可达阻力的 80% 的升力，与马格纳效应产生的升力相当。凹陷深度比影响升力开始出现的 $Re$ 值以及可实现的最大升力系数 ($C_L$)。在不同 $Re$ 下，实现最大升力的最优 $k/d$ 值各不相同：在低 $Re$ 时需要更深的凹陷，而在高 $Re$ 时则更倾向于使用较浅的凹陷。对于固定的 $Re$，随着 $k/d$ 的增加，升力单调增加，直到达到临界值 $k/d$，此时升力开始下降。粒子图像测量法 (PIV) 显示，凹陷在粗糙侧延迟了流分离，而光滑侧保持不变，导致边界层在两侧的分离方式不对称，从而引起涡流偏转并产生升力。超过临界 $k/d$ 后，流分离位置向上游移动，增加了后缘涡流的大小，减少了涡流偏转，从而降低了升力。总体而言，本研究为对不规则体的涡流控制奠定了基础，为实时操控应用铺平了道路。