仿生水翼空化控制机制的多视角涡识别方法研究及其涡动力学调控机理

为解决水力机械中空化现象引发的性能下降问题，浙江大学团队通过大涡模拟(LES)和拉格朗日相干结构(LCSs)方法，系统研究了仿生前缘结节结构对NACA-0015水翼空化流动的调控机制。研究发现结节结构通过增强前缘流动分离、产生反向涡旋，有效抑制了大尺度空泡形成，并利用LCSs精准捕捉了空化流场中的涡核结构与射流特征，为仿生空化控制提供了多尺度动力学依据。

　　

在海洋工程与水力机械领域，空化现象如同潜伏的"流体刺客"——当局部压力低于饱和蒸汽压时，液体中瞬间气化形成的空泡群会引发设备振动、噪声和材料侵蚀。尽管仿生学为这一问题提供了新思路，如借鉴座头鲸鳍肢前缘结节结构设计的水翼已展现出空化控制潜力，但现有研究多停留在宏观表现描述，对结节结构如何通过调控涡动力学实现空化抑制的机理仍如"雾里看花"。

针对这一科学盲区，浙江理工大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表了一项突破性研究。他们以NACA-0015水翼为原型，设计具有仿生前缘结节结构的实验模型，采用大涡模拟(LES)结合Schnerr-Sauer空化模型，通过高速摄像与数值模拟的"虚实结合"，首次从欧拉-拉格朗日双视角揭示了结节结构的空化控制机制。关键技术包括：搭建矩形空化水洞实验平台，设置空化数σ=0.8、攻角8°的工况；应用Q准则与拉格朗日相干结构(LCSs)分别识别涡旋空间分布与物质输运边界；通过有限时间李雅普诺夫指数(FTLE)场量化流动相干结构。

hydrodynamic performance and cavitating flow characteristics
通过对比基准水翼与仿生水翼的升阻比(C_L/C_D)发现，结节结构使低压区压力分布均匀化，将空泡体积缩小23.6%。粒子图像测速(PIV)显示结节诱导的逆向涡旋使空泡边界湍动能提升15%，有效抑制了大尺度空泡的融合。

vortex-cavitation interaction analysis
欧拉视角下，Q准则涡识别表明结节结构在前缘产生密集的小涡核群(直径<0.2c，c为弦长)，如同"涡旋过滤器"阻断了大尺度涡的形成；拉格朗日视角下，LCSs清晰捕捉到结节间周期性脱落的马蹄涡，其FTLE脊线呈现"锯齿状"特征，证实结节将连续空泡分割为离散单元。

wake flow characteristics
尾流区LCSs分析显示，仿生水翼产生的相干结构具有显著方向性，涡量扩散范围较基准水翼减少37.2%。通过动态模态分解(DMD)提取的主模态表明，结节结构使空泡脱落频率向高频移动(St数从0.12增至0.18)，验证了其促进空泡早期破碎的作用。

这项研究构建了仿生结构-涡动力学-空化控制的三者关联框架，证实前缘结节通过"涡旋尺度调控"与"压力场重构"双重机制实现空化抑制。特别值得注意的是，研究提出的欧拉-拉格朗日多视角分析方法，为复杂空化流场诊断建立了新范式。该成果不仅为水力机械仿生设计提供了理论依据，其揭示的"小涡核群抑制大空泡"原理，对航空航天领域的超空泡控制亦有重要启示。正如作者指出，未来可进一步探索结节几何参数(波长/振幅比)与空化数σ的耦合规律，以优化仿生水翼的工况适应性。