通过亚波长局部共振超材料实现声子亚表面流动稳定

固体表面与流体流动之间的相互作用构成了与空中、海上和陆地车辆性能及众多其他技术相关的动力学过程的基础。这些过程中的关键部分是不稳定的流动扰动，它们促成了流场中的基本转变。通过引入声子亚表面（PSub），可以实现对这些扰动的精确控制。这包括将有限的声子结构垂直局部附着在暴露于流动流体的弹性表面上。该结构不断受到与平均流共同传播的不稳定流模式的激励。这种激励在表面产生微小变形，从而在结构内触发弹性波传播。通过对 PSub 的晶胞和有限结构特性进行目标调谐，可以设计返回波使其发生共振并反相重新进入流动，导致表面附近入射流动波的显著相消干涉，随后在控制区域的空间范围内将其衰减。这种控制机制是被动的、响应式的，并且是离线设计的，不需要耦合的流固仿真；只需知道流动不稳定性频率、波长和整体模式特性。我们提出了一种局部共振弹性超材料形式的 PSub，设计为在弹性亚波长状态下工作，因此其长度明显短于基于声子晶体的 PSub。利用通道流的直接数值模拟（DNS），我们研究了这两种类型的 PSub，并展示和分析了它们对壁面流动行为的受控空间和能量影响。我们表明 PSub 的影响如预期那样在空间上是局部的，其沿流向的影响在远离其亚表面位置后迅速衰减。