Flow-excited membrane instability at moderate Reynolds numbers
Notice bibliographique
Résumé
In this paper, we study the fluid–structure interaction of a three-dimensional (3-D) flexible membrane immersed in an unsteady separated flow at moderate Reynolds numbers. We employ a body-conforming variational fluid–structure interaction solver based on the recently developed partitioned iterative scheme for the coupling of turbulent fluid flow with nonlinear structural dynamics. Of particular interest is to understand the flow-excited instability of a 3-D flexible membrane as a function of the non-dimensional mass ratio ( $m^{*}$ ), Reynolds number ( $Re$ ) and aeroelastic number ( $Ae$ ). For a wide range of parameters, we examine two distinct stability regimes of the fluid–membrane interaction: deformed steady state (DSS) and dynamic balance state (DBS). We propose stability phase diagrams to demarcate the DSS and DBS regimes for the parameter space of mass ratio versus Reynolds number ( $m^{*}$ - $Re$ ) and mass ratio versus aeroelastic number ( $m^{*}$ - $Ae$ ). With the aid of the global Fourier mode decomposition technique, the distinct dominant vibrational modes are identified from the intertwined membrane responses in the parameter space of $m^{*}$ - $Re$ and $m^{*}$ - $Ae$ . Compared to the deformed steady membrane, the flow-excited vibration produces relatively longer attached leading-edge vortices which improve the aerodynamic performance when the coupled system is near the flow-excited instability boundary. The optimal aerodynamic performance is achieved for lighter membranes with higher $Re$ and larger flexibility. Based on the global aeroelastic mode analysis, we observe a frequency lock-in phenomenon between the vortex-shedding frequency and the membrane vibration frequency causing self-sustained vibrations in the dynamic balance state. To characterize the origin of the frequency lock-in, we propose an approximate analytical formula for the nonlinear natural frequency by considering the added mass effect and employing a large deflection theory for a simply supported rectangular membrane. Through our systematic high-fidelity numerical investigation, we find that the onset of the membrane vibration and the mode transition has a direct dependence on the frequency lock-in between the natural frequency of the tensioned membrane and the vortex-shedding frequency or its harmonics. These findings on the fluid-elastic instability of membranes have implications for the design and development of control strategies for membrane wing-based unmanned systems and drones.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».