动边界问题中的涡面演化与受力建模

We extend the recently developed vortex-surface field (VSF) to flow diagnostics on the generation of turbulent structures and modeling of forces in moving-boundary problems. First, we develop the numerical algorithm for the construction and evolution of VSFs with the moving boundary condition. Then we apply the VSF algorithm to the time series of velocity fields obtained by the immersed boundary method to calculate the time series of VSF fields. In the VSF framework characterizing the continuous deformation of vortex surfaces, we elucidate the mechanisms of the flow separation, vortex rolling-up/stretching/twisting/reconnection, and the generation of turbulent structures. Finally, we apply the vortex force and impulse theory to model the influence of evolutionary geometry and topology on the forces exerting on the moving body, and investigate the flow control strategy for the optimization of propulsion efficiency.

本研究将涡面场方法推广于动边界问题中的湍流结构生成演化机理分析与受力建模。首先我们发展适应于动边界条件的涡面场构造与演化数值算法，并将其用于浸入边界法数值模拟得到的速度场时间序列，从而得到时间演化的涡面场。然后由涡面连续变形的统一框架阐释流体流经运动壁面产生的流动分离、壁面附近的涡脱落、拉伸、扭曲及重联、直至尾迹中形成湍流结构这一系列特征流动结构变化机理。最后结合涡力与冲量理论建模涡面几何变形与拓扑变化对物体受力的影响，进而探讨优化推进效率的流动控制策略。

我们将涡面场研究方法推广到动边界问题，并基于平板绕流尾迹中的流动结构发展了理论模型和数据驱动模型进行气动力预测。首先对扑动平板尾迹中的涡面结构演化机理进行分析，并基于尾迹中的离散涡面发展了平均受力公式。通过简化有限域冲量理论，进而将平板附近的涡结构信息转换到近场尾迹中的离散涡面进行计算，构造了基于近场与远场尾迹中涡面结构的平板受力模型。随后基于平板绕流尾迹横截面上的速度场数据，分别发展了基于尾迹中速度亏损的理论模型和包含物理信息与注意力机制的卷积神经网络模型对平板受力进行预测，并对两类模型预测效果从准确性、适用性、易用性等多个维度进行了系统的比较与分析。该类基于涡面场方法的气动力建模可成为新一代流动结构分析与建模范式，在推广应用中可根据水下或空中运动物体的尾流特征推测运动与受力状态。在本项目资助下发表流体力学权威SCI期刊论文9篇（含7篇JFM、2篇POF），培养相关方向3名博士毕业。