非正弦俯仰运动下弦向柔性对半主动拍动翼能量采集性能的协同优化机制

本文创新性地探讨了弦向柔性（chordwise flexure）与非正弦（梯形）俯仰运动（non-sinusoidal pitching motion）对半主动拍动水翼（semi-active flapping hydrofoil）能量提取性能的协同效应。研究发现，在非最优俯仰幅值（θ0=65°）下，柔性与非正弦运动的结合使效率提升至41.5%，较刚性水翼提高43.17%，为仿生水力能源系统（bio-inspired hydrokinetic energy systems）设计提供了新思路。

　　

研究亮点

弦向柔性通过增大压力差显著提升水翼升力，但其与非正弦（梯形）俯仰运动的协同效应此前尚未明确。本研究首次通过数值模拟揭示：在非最优俯仰幅值（θ₀=65°）下，柔性（α）与非正弦参数（β）的组合可使效率跃升至41.5%，较刚性水翼提升43.17%，突破传统正弦运动的性能上限。

运动学与性能表征

半主动柔性拍动系统中，水翼遵循预设的弦向柔性变形（predetermined chordwise flexibility）和非正弦俯仰运动，升沉运动（heaving）由流体动力被动诱导。通过非惯性参考系（non-inertial reference frame）和显式龙格-库塔法（Runge–Kutta scheme）求解纳维-斯托克斯方程（Navier–Stokes equations），量化了柔性变形角（α）、拍动频率（f*）和俯仰幅值（θ₀）的耦合效应。

结果与讨论

当θ₀≥75°时，柔性与非正弦运动的协同增效有限；而在θ₀=65°的非最优工况下，该系统效率较正弦运动基准值提升29.9%。高频拍动（f*=0.16-0.22）时，柔性水翼的尾涡结构（wake vortex patterns）呈现更规则的对称性，表明能量捕获稳定性增强。

结论

弦向柔性与非正弦运动的战略组合，为突破现有水力能量采集（hydrokinetic energy harvesting）技术瓶颈提供了新范式，尤其在非理想工况下展现出显著的工程应用潜力。