基于马格努斯效应的前缘旋转圆柱体扑翼能量采集系统优化研究

本文推荐：本研究通过动态网格法和相对坐标系数值模拟，系统分析了间隙宽度、转速比和相位差对集成前缘旋转圆柱体（利用马格努斯效应）的扑翼能量采集性能影响。优化构型使NACA0015翼型效率提升7.2%，其机制源于圆柱诱导流场调控吸力面涡脱落时序，拓展了升力和俯仰力矩的贡献时长，为低流速环境高效能量采集装置设计提供理论依据。

　　

Highlight

本研究亮点在于首次将马格努斯效应（Magnus effect）与扑翼能量采集系统结合，通过动态网格技术揭示了旋转圆柱体诱导的流场如何像"流体指挥家"一样精准调控涡旋（vortex）的生成与脱落节奏，从而在低风速环境中奏响能量回收的"高效乐章"。

Physical model and numerical methods

图1展示了本研究采用的"MAG翼"扑翼装置示意图。该装置在保持弦长c不变前提下，于NACA0015翼型前缘嵌入半径为r的旋转圆柱体，两者间隙记为a。采用相对坐标系下的滑动网格技术，就像给旋转圆柱体装上"流体显微镜"，动态捕捉周期性运动中复杂的涡流交互现象。

Results and discussion

当转速比（旋转线速度/来流速度）为1.5、间隙宽度0.5mm时，系统化身"能量捕手"，效率较基准翼型提升7.2%。这归因于圆柱体像"涡流加速器"般改变了吸力面边界层（boundary layer）结构，使涡旋（vortex）在更广相位范围内贡献升力。特别当相位差为90°时，旋转圆柱与翼型运动形成完美"流体二重奏"，显著延长了高扭矩输出时长。

Conclusions

这项研究为马格努斯效应在振荡流系统中的运用谱写了新篇章。就像发现"流体齿轮"的黄金啮合参数，优化后的转速比和间隙宽度组合，使扑翼装置在低雷诺数（Re）环境下仍能保持高效能量采集，为近海/低速环境可再生能源开发提供了"仿生解决方案"。