仿生睫毛几何结构增强湍流诱导振动灵敏度
流体动力学
2026-03-25 v1
摘要
我们报告了实验设计，用于表征浸入稳态和不稳态流动中的不规则体经历的涡旋诱导振动(VIV)和湍流诱导振动(WIV)。通过实时Cyber-Physical System(CPS)，我们系统地指定虚拟质量、弹簧常数和阻尼，以弹性安装的模型进行自由振动。这样，我们可以表征圆柱形、椭圆形和灵感来自seal whisker的睫毛模型——该模型具有不规则椭圆几何结构——的力和位移。自由流中，圆柱形产生高VIV，而较低纵横比的物体在所有结构频率下振动最小。在引入一个摆动和波动水下机翼的流动扰动后，较低纵横比的物体被WIV激发，最高振幅振动发生在测试物体的结构频率匹配于上游机翼的湍流频率时。为了进一步理解不规则几何结构相对于经典椭圆圆柱的优势，我们通过将实验数据与二次阻力和范德波尔阻尼模型进行比较来评估每个测试对象的非线性流体阻尼。我们的结果表明，幅值相关的范德波尔阻尼模型更好地描述了物理系统，能够捕捉大幅度WIV的抑制，但恢复小幅度VIV。然而，拟合范德波尔阻尼系数的强度在椭圆圆柱上大于睫毛。我们发现睫毛在所有测试结构频率下均经历更低的阻尼，表明睫毛几何结构可能作为更高灵敏度的传感器。
引用
@article{arxiv.2603.22556,
title = {Vibrissa inspired geometries enhance sensitivity of wake-induced vibrations},
author = {Eva Erickson and Eric E. Handy-Cardenas and Joel W. Newbolt and Christin Murphy and Kenneth Breuer},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.22556},
year = {2026}
}