近日，流体力学国际顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》(简称JFM, IF=2.89)刊登了航空学院张伟伟教授团队李新涛同学的研究成果[J. Fluid Mech. (2019), vol. 867, pp. 516-555]。论文的题目为“Mode competition in galloping of a square cylinder at low Reynolds number”。JFM期刊是剑桥大学出版社旗下的核心期刊之一，是流体力学领域的TOP期刊。
钝体流致振动具有重要的理论和工程应用价值，因而一直是流体力学和流固耦合力学领域的一个研究热点[1]。其中，涡致振动和驰振是最常见的两种流致振动现象。涡致振动是一种有限幅度的自激振动，仅在锁频区域内出现较大幅度振动；而驰振是一种低频大幅振动现象，当风速大于起始风速时，结构的振幅随风速增加而一直增大，不存在退出边界。当前，对涡致振动诱发机理的研究已经比较深入，各种非定常分析方法，如半经验半理论模型，线性稳定性分析方法等，已经成功用于涡致振动锁频现象的机理解释[2]。然而对驰振现象的研究，目前还停留在准定常分析阶段[3]。经典的准定常模型是建立在静止结构不同攻角下的时均载荷基础上的，无法考虑结构运动和尾部涡脱带来的非定常效应，因而其仅仅适用于高折减速度下的低频驰振分析，而对非定常效应较强的驰振问题则无能为力。
图1. 耦合系统的根轨迹：(a) m*=10; (b) m*=50.
图2. 线性稳定性分析结果与数值仿真结果对比
图3.典型的模态竞争示例：流动模态在竞争中锁定结构模态
图4. 典型的模态竞争示例：结构振动位移的时频分析结果
事实上，驰振和颤振都是由气动负阻尼导致的流固耦合失稳现象，从动力学的角度来看二者没有本质区别。然而，学术界始终将驰振和颤振分开来研究和讨论[4]。土木工程界的学者习惯用驰振，而航空航天工程领域里的学者则一直用颤振来描述这种不稳定现象。不同领域的学者采用不同的术语常导致初学者和工程师的困惑，不利于跨领域问题的研究和工程问题的解决。近期，张伟伟教授团队结合理论分析和数值仿真等手段，揭示了驰振现象的产生机理，阐明了驰振和颤振的联系与区别。研究发现驰振本质上是一种单自由度颤振，叠加一个由自然涡脱导致的强迫振动。结构模态失稳导致结构出现大幅低频振动，而流动模态失稳则导致钝体尾部出现高频涡脱。此外，他们首次发现了驰振中的模态竞争机制，成功解释了某些状态下的驰振消失现象。模态竞争的实质是涡致振动和驰振的相互干扰。在前驰振区域，流动模态迅速达到饱和，并在竞争中锁定了结构模态，从而推迟了驰振的发生。在小质量比和低雷诺数情况下，自然涡脱则能够完全抑制驰振不稳定现象。该研究为构建高效合理的驰振非定常分析模型奠定了理论基础。
李新涛同学博士期间致力于复杂流固耦合现象的诱发机理研究，试图构建统一的流固耦合分析模型，对不同领域中遇到的各种流致振动问题进行统一的机理分析和解释，并在此基础上提出有效的控制策略，相关研究成果发表于Journal of Fluid Mechanics，Physics of Fluids，Journal of Fluids and Structures和力学学报等国内外知名期刊，累计影响因子20，Google引用次数92。（撰稿：张伟伟，审核：李斌）
论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2019.160
参考文献
[1] Williamson, C. H. K., & Govardhan, R. (2004). Vortex-induced vibrations. Annu. Rev. Fluid Mech., 36, 413-455.
[2] Zhang, W., Li, X., Ye, Z., & Jiang, Y. (2015). Mechanism of frequency lock-in in vortex-induced vibrations at low Reynolds numbers. Journal of Fluid Mechanics, 783, 72-102.
[3] Païdoussis, M. P., Price, S. J., & De Langre, E. (2010). Fluid-structure interactions: cross-flow-induced instabilities. Cambridge University Press.
[4] Blevins, R. D. (1977). Flow-induced vibration. New York, Van Nostrand Reinhold Co., 1977. 377 p.
李新涛同学发表的论文：
1. Zhang, W. W., Li, X. T., Ye, Z. Y., & Jiang, Y. W. (2015). Mechanism of frequency lock-in in vortex-induced vibrations at low Reynolds numbers. Journal of Fluid Mechanics, 783, 72-102.
2. Li, X. T., Lyu, Z., Kou, J. Q., & Zhang, W. W. (2019). Mode competition in galloping of a square cylinder at low Reynolds number. Journal of Fluid Mechanics, 867, 516-555.
3. Li, X. T., Zhang, W. W., & Gao, C. Q. (2018). Proximity-interference wake-induced vibration at subcritical Re: Mechanism analysis using a linear dynamic model. Physics of fluids, 30(3), 033606.
4. Li, X. T., Liu, Y. L., Kou, J. Q., & Zhang, W. W. (2017). Reduced-order thrust modeling for an efficiently flapping airfoil using system identification method. Journal of Fluids and Structures, 69, 137-153.
5. Gao, C. Q., Zhang, W. W., Li, X. T., Liu, Y. L., Quan, J. G., Ye, Z. Y., & Jiang, Y. W. (2017). Mechanism of frequency lock-in in transonic buffeting flow. Journal of Fluid Mechanics, 818, 528-561.
6. Gao, C. Q., Zhang, W. W., Li, X. T. (2019). Passive feedback control of transonic buffet flow. Physics of Fluids, 818, 528-561.
7. Kou, J. Q., Zhang, W. W., Liu, Y. L., & Li, X. T. (2017). The lowest Reynolds number of vortex-induced vibrations. Physics of Fluids, 29(4), 041701.
8. 李新涛, 张伟伟, 蒋跃文, & 叶正寅. (2015). 弹性支撑圆柱绕流稳定性分析. 力学学报, 47(5), 874-880.
