我是不是第一个认真考虑形如高达的大型机甲,在大气层中运行的空气动力学问题,并给出技术路线的人?










龙鳞系统与主动虚拟流线型技术的可行性深度研究报告:基于“幽灵流线”方案的工程学与流体力学分析
1. 执行摘要
在当代军事工程与科幻设定的交汇领域,如何解决重装甲单位(Bluff Bodies,钝体)的气动效率问题始终是一个核心悖论。传统的装甲设计倾向于最大化内部容积和防护面积,从而导致外观呈现高风阻的方块状结构;而高速机动性则严苛地要求流线型设计以降低压差阻力。本报告基于项目《第一军事学院·第701垂直战术班》中的“幽灵流线”(Phantom Streamline)企划书,对其中提出的“龙鳞”主动流动控制系统进行了详尽的科学性审查与可行性分析。
本研究的核心在于评估利用分布式 压电合成射流致动器 (Piezoelectric Synthetic Jet Actuators, PSJAs)在非气动外形物体表面构建“虚拟流线”的物理可能性。报告通过流体力学理论(边界层理论、柯恩达效应)、控制理论(纳维-斯托克斯方程的实时求解)、热力学(能量转换效率)以及声学特征(超声波传播)四个维度,对该技术进行了全方位的解构。
分析结论表明,“龙鳞”系统所依据的科学原理在理论层面是高度成立的。 主动流动控制 (AFC)确实具备在不改变物体几何外形的前提下大幅降低风阻的潜力。然而,工程实现的代价——特别是算力热耗、系统热管理以及高频声学暴露——构成了巨大的技术壁垒。该方案并非“魔法”,而是一种以极高能量换取气动效率的暴力工程学解法,其战术价值取决于在“机动性”与“隐蔽性”之间的极端权衡。
2. 引言:装甲平台的空气动力学悖论
2.1 防护与机动的永恒冲突
在地面及低空作战平台的演进史中,几何外形的设计始终在两个极端之间摇摆:
- 防护优先 :以主战坦克或重型机甲为代表。为了挂载复合装甲并最大化内部设备空间,其外形趋向于矩形或多面体。这种形状被称为“钝体”(Bluff Body),其特征是迎风面积大,棱角分明。
- 机动优先 :以战斗机或高速导弹为代表。为了减少空气阻力,其外形遵循面积律,呈现细长的流线型(Streamlined Body)。
在《幽灵流线》的案例中,主角机甲“未名”被描述为“方块状物体”,这是一个典型的钝体设计。在高速运动中,这种形状会导致极高的阻力系数(),不仅消耗大量推进能量,更会因气流分离产生剧烈的结构震动。
2.2 案例对象:“未名”机甲的飞行困境
根据资料描述,该机甲在风洞测试中出现了“失速警告”(STALL WARNING)和超过 1.2 的阻力系数。驾驶员林恩指出“震动幅度超过结构极限”。从物理学角度看,这并非夸张。当气流流经立方体锐利的边缘时,会发生 流动分离 (Flow Separation),在机体后方形成宽大的低压 尾迹区 (Wake Region)。这种前后巨大的压差不仅产生了 压差阻力 (Pressure Drag),而且尾迹中脱落的涡旋(Vortex Shedding)会产生交变的侧向力,即 涡激振动 (Vortex-Induced Vibration, VIV)。对于重型机甲而言,这种震动足以导致装甲连接点疲劳甚至解体。
李斯特教授提出的解决方案是“主动流动控制”(Active Flow Control, AFC),即通过外力干预流场,而非改变物理外形。本报告将深入探讨这一概念从理论到实现的每一个环节。
3. 钝体空气动力学基础与流动分离机制
要理解“龙鳞”系统的工作原理,首先必须剖析“飞行的砖头”所面临的流体力学环境。
3.1 压差阻力与流动分离
任何在流体中运动的物体都承受两类阻力:
- 摩擦阻力 (Skin Friction Drag):源于流体粘性与物体表面的摩擦。对于流线型物体,这是阻力的主要来源。
- 压差阻力 (Pressure/Form Drag):源于物体前后表面的压力差。对于钝体(如方块机甲),压差阻力占据总阻力的 90% 以上。
当气流撞击机甲的 迎风面 (Stagnation Face)时,流速减为零,静压达到最大(停滞压力)。气流随后加速绕过机甲的直角边缘。根据伯努利原理,流速增加意味着压力降低。然而,在绕过棱角后,气流必须在一个极短的距离内面对压力的恢复(逆压梯度)。
在“未名”机甲的直角棱边处,边界层内的流体微团由于动能不足,无法克服这个逆压梯度,从而从表面剥离。这就形成了李斯特教授所描述的现象:“空气撞在前面是墙,后面是真空吸盘”。前方的“墙”是高压区,后方的“吸盘”是分离形成的大规模低压湍流区。正是这个压力差将机甲向后“吸”住,形成了巨大的阻力。
3.2 冯·卡门涡街与结构不稳定性
资料中提到的“极度震动”是钝体绕流的典型特征。尾迹区的气流并非静止,而是不稳定的。涡旋会交替地从机甲的上下或左右边缘脱落,形成 冯·卡门涡街 (Von Kármán Vortex Street)。
每一个脱落的涡旋都会带走一定的动量,从而对机体产生一个反作用力。由于涡旋是交替脱落的,机体就会受到周期性的脉冲力。如果这个脉冲频率(由斯特劳哈尔数 St 决定)与机甲结构的固有频率重合,就会发生气动弹性 颤振 (Flutter),这正是林恩所担心的“结构极限”问题。
3.3 被动整流的局限性
林恩曾提议“加装整流罩”或“把棱角磨圆”。这是传统的被动控制方法。
- 整流罩 (Fairings):虽然有效,但会显著增加机体的体积和 死重 (Dead Weight),且在战斗中容易损坏,一旦破损可能形成更糟糕的气动外形。
- 倒圆角 (Filleting):对于高超音速或高亚音速物体,只有当圆角半径达到相当大的比例(如物体宽度的 20% 以上)时,才能有效抑制分离。对于追求内部空间利用率的机甲来说,这等于削减了装甲厚度或设备空间。
因此,在不牺牲装甲几何优势的前提下,主动流动控制成为了唯一的物理学突破口。
4. 主动流动控制 (AFC) 理论与“龙鳞”机制
“龙鳞”系统的核心在于“主动注入能量”以“欺骗空气”。这一描述精确地对应了现代流体力学中的前沿领域:利用 零净质量通量 (Zero-Net Mass-Flux, ZNMF)射流进行的边界层控制。
4.1 边界层再附与能量注入
流动分离的根本原因是边界层底层的流体动能不足以抵抗逆压梯度。李斯特教授形象地比喻为“空气太懒,不想转弯”。“龙鳞”系统的作用是在流动即将分离的关键点(即机甲的棱角处),通过喷射高能气流,直接向边界层底部注入动量。
这股注入的能量不仅加速了迟滞的边界层,还促进了边界层与外部高速自由流之间的混合,将外部的动能引入贴壁层。获得能量后的气流便能够克服逆压梯度,紧贴着机甲的后方表面流动,而不是沿切线飞出。
4.2 柯恩达效应与虚拟整形
资料中明确提到了 柯恩达效应 (Coanda Effect)。这是一种流体倾向于贴附在凸曲面上流动的物理现象。
- 常规应用 :通常需要一个真实的曲面(如机翼襟翼的后缘)。
- 在方形物体上的应用(虚拟整形) :“龙鳞”系统的高明之处在于利用射流构建了一个“流体滚轴”或“虚拟曲面”。
通过在直角边缘高频喷射气流,系统可以在棱角处制造一个稳定的 驻涡 (Trapped Vortex)或引导气流偏转。外部的自由气流在经过这个区域时,接触到的不再是坚硬的直角,而是由射流构成的一层高压气垫或弯曲的流线。气流顺着这个“虚拟外壳”平滑过渡到机体后方。
这就是资料中 UI 显示的“虚构外壳”的物理本质。从流场的角度看,方形机甲被一个流体形成的“水滴形”包裹,空气“以为”它是圆的。
4.3 合成射流技术 (Synthetic Jets)
资料描述该系统由“成千上万片”微型陶瓷片组成,且没有提到巨大的储气罐。这强烈暗示了该系统使用的是 合成射流致动器 (Synthetic Jet Actuators, SJA)。
合成射流是一种不需要外部气源的装置。它由一个带有小孔的腔体和一个振动膜(此处为压电陶瓷)组成:
- 吸入冲程 :压电膜收缩,腔体体积增大,将外部低动能空气吸入。
- 喷出冲程 :压电膜膨胀,腔体体积减小,将空气高速喷出。
虽然在一个周期内吸入和喷出的空气质量相等(零净质量通量),但喷出的是定向的高速涡环,而吸入的是无方向的低速流。因此,它向外部流场输出了净动量。这种无需布设复杂气管、仅需电缆供电的特性,是其能够“像鳞片一样”分布在机甲表面的工程基础。
5. 工程实现分析:压电阵列与频率响应
5.1 压电材料的选择与微观机械结构
资料提到“灰色陶瓷片”和“微观机械感”。这指的是压电陶瓷(如 PZT,锆钛酸铅)。当施加电压时,压电材料会发生微小的形变。
- 分布式优势 :单个压电致动器的功率有限,但在机甲表面覆盖数万个此类单元(即“龙鳞”),就形成了 智能蒙皮 (Smart Skin)。
- 冗余性 :在战斗中,即便部分装甲受损脱落,剩余的阵列仍能维持局部的流场控制,这比单一的大型控制面(如襟翼)具有更高的生存力。
5.2 28,500 Hz 的频率设定分析
系统设定频率为 28.5 kHz。这是一个极具深意的参数设定。
- 超声波段 :28.5 kHz 超出了人耳听觉范围(20 Hz - 20 kHz),符合“静音”战术的初衷(虽然有物理代价,详见后文)。
- 流体力学响应频率 (Strouhal Number Matching):
- 在常规 AFC 中,致动频率通常与涡脱落频率锁定()。对于大型机甲,涡脱落频率很低(几赫兹到几十赫兹)。
- 然而,使用 28.5 kHz 意味着系统并非试图直接控制大尺度涡脱落,而是采用 高频强迫 (High-Frequency Forcing, )。
- 在高频模式下,合成射流不再是一连串离散的脉冲,而在流场看来是一股准连续的动量片。这种模式特别适合用于改变流场的“虚构外形”,因为它能产生非常稳定的虚拟边界,这解释了为何能形成稳定的“幽灵流线”外壳。
5.3 纹影效应 (Schlieren Effect) 的物理真实性
资料描述机甲周围出现了“纹影般的热浪折射效果”。这在物理上是完全合理的。
- 声流效应 (Acoustic Streaming):28.5 kHz 的高强声场会驱动空气产生稳态流动。
- 密度梯度 :高频高压的压电振动会压缩空气,导致局部的空气密度发生剧烈变化。同时,压电陶瓷工作产生的废热会加热边界层。
- 光学折射 :密度不均会导致光折射率变化。在肉眼看来,机甲周围的空气确实会像夏日路面上的热浪一样扭曲。这不仅是视觉特效,更是高能物理场介入大气的直接证据。
6. 计算流体力学 (CFD) 与控制算法挑战
李斯特教授提到的“CPU 温度飙升”和“实时计算相位角”揭示了主动流动控制最核心的软肋:闭环控制的算力黑洞。
6.1 纳维-斯托克斯方程的诅咒
流体的运动由非线性的 纳维-斯托克斯 (Navier-Stokes, N-S)方程组支配。对于 湍流 (Turbulence),特别是机甲这种复杂几何体的高雷诺数绕流,其流动状态具有极端的混沌特性。
- 状态空间巨大 :要精确预测下一毫秒气流会不会分离,需要解析从米级(机体)到微米级(耗散涡)的所有尺度。
- 实时性要求 :气流分离发生的时间尺度极短。如果传感器检测到压力异常,算法必须在微秒级时间内计算出应对的射流强度和相位。
6.2 算力溢出的必然性
资料中提到的“每秒数亿次偏微分方程求解”是对这一困境的直观描述。在 2075 年的设定下,即便有量子计算辅助,要在动态战场环境(横风、爆炸冲击波、机体机动)中实时求解全尺寸 N-S 方程(DNS, Direct Numerical Simulation)依然是不可能的。系统必然依赖于 降阶模型 (Reduced Order Models, ROM)或 深度神经网络 (Deep Neural Networks)进行预测控制。然而,当外界干扰(如“横风”)超出模型的训练边界时,算法需要进行更复杂的迭代以寻找收敛解,导致算力瞬间满载,CPU 温度飙升。这种“热力学的惩罚”是真实存在的——你用计算的熵减(信息处理)来换取流体的熵减(有序流动)。
6.3 延迟与灾难性失效
被动气动外形(如水滴形)是物理稳定的,永远有效。而主动气动外形是“计算维持”的。一旦算法崩溃或延迟超过临界值(Convective Time Scale),虚拟流线会瞬间破裂。结果不仅是阻力从 0.35 恢复到 1.2,更会导致 压心 的剧烈跳变(Center of Pressure Shift)。这就像一辆赛车在 300 公里时速下突然撞上一堵墙,且四个轮子的抓地力随机消失。这种突变足以撕裂机体结构,证明了该技术的风险极高。
7. 热力学与能量分析:系统的隐形代价
“工程学没有魔法,只有代价”。本节量化分析这些代价。
7.1 压电材料的介电损耗
压电陶瓷并非完美的能量转换器。在高频高压驱动下,其主要损耗来源包括:
- 介电损耗 (Dielectric Loss, ):电能转化为热能。
- 机械滞后 (Mechanical Hysteresis):晶格摩擦产热。
功率耗散公式大致为 P_loss ∝ f * V^2 * C * tan(delta)。在 的极高频率下,即便单个微致动器的损耗很小,乘以“成千上万”的数量级,整个机甲表面的发热量将是惊人的。这解释了为何不仅 CPU 过热,整个系统都面临热耗问题。机甲实际上变成了一个巨大的散热器。
7.2 气动加热与冷却悖论
通常,减少阻力会减少气动加热。但在“龙鳞”系统中,为了维持流线,致动器本身在剧烈发热。更讽刺的是,为了冷却这些致动器,通常需要引流空气,但表面的空气流场已经被严格控制用于减阻,不能随意引入冷却管道。这种热管理上的死结是该技术工程化的主要难点之一。
8. 声学特征与战场生存力分析
报告的结局部分提到了“黑暗森林”打击和“最响亮的静音哨子”,这引入了电子战与声学侦察的视角。
8.1 超声波的大气衰减与传播
虽然 28.5 kHz 超出了人耳听觉,但在物理上它依然是高强度的压力波。
- 近场声压级 (SPL):为了控制高速气流,合成射流出口的速度必须达到自由流速度的数倍。这需要极高的驱动电压。由此产生的声压级(SPL)在源头可能超过 150 dB。
- 大气衰减 :高频声波在空气中的衰减系数确实远高于低频。然而,对于数万个声源组成的 相控阵列 (Phased Array),由于 波束形成 (Beamforming)效应,声能量可能在特定方向上高度集中,传播距离远超预期。
8.2 被动声纳与频谱特征
在现代战场上,声学探测系统(如反狙击手探测系统、无人机声纹库)是标准配置。自然界的背景噪音(风声、引擎声)通常是宽带的(Broadband Noise)。而“龙鳞”系统产生的是一个极其尖锐的 窄带信号 (Narrowband Signal),即资料图表中“刺破天际的红色波峰”。在频谱分析仪上,这就像在黑夜中点亮了一盏红灯。任何具备基础信号处理能力的敌方被动声纳都能通过 傅里叶变换 (FFT)瞬间识别出这个人造信号,并利用 多点定位技术 (TDOA)锁定机甲位置。
8.3 战术权衡:主动性与隐蔽性
这是一项极端的战术技术:
- 开启状态 (Phantom Mode):获得极高的机动性和速度,但如同开启了“声学信标”,位置完全暴露。
- 关闭状态 (Stealth Mode):恢复为“砖头”,机动性丧失,但声学特征消失(仅剩物理引擎噪音)。
这决定了“龙鳞”只能用于接敌后的高机动 狗斗 (Dogfight)或导弹规避,而绝不能用于巡航或渗透任务。
9. 数据对比:传统构型 vs. 龙鳞系统
为了更直观地展示技术差异,以下表格总结了两种状态的关键参数对比:
| 参数维度 | 传统钝体模式 (Passive / OFF) | 龙鳞主动流线模式 (Active / ON) | 物理原理 / 备注 |
|---|---|---|---|
| 几何外形 | 立方体 / 棱角分明 | 虚拟水滴型 / 气动平滑 | 柯恩达效应,虚拟整形 |
| 阻力系数 () | > 1.2 (高阻) | (低阻) | 边界层能量注入,抑制分离 |
| 尾迹特征 | 冯·卡门涡街,剧烈湍流 | 附着流,窄尾迹 | 抑制涡脱落 |
| 结构稳定性 | 差 (涡激振动 VIV) | 优 (气动阻尼) | 消除周期性侧向力 |
| 热力学特征 | 表面冷,仅依靠自然对流 | 极热 (压电损耗 + CPU 满载) | 能量守恒,熵增转移 |
| 声学特征 | 宽带风噪 (低频) | 窄带高频信标 (28.5 kHz) | 斯特劳哈尔频率强迫 |
| 失效模式 | 无 (物理装甲) | 灾难性 (气动失速) | 算法延迟或传感器故障 |
| 能量消耗 | 低 (仅推进引擎) | 极高 (推进 + 气动控制) | 需要大功率辅助动力单元 (APU) |
10. 结论与展望
基于对资料《幽灵流线》的详细剖析,本报告得出以下结论:
- 科学原理真实性 :“龙鳞”系统所依据的流体力学原理(主动流动控制、合成射流、虚拟整形)在 21 世纪的航空研究中均有坚实的理论基础和实验雏形。它并非空想,而是对现有技术的合理前瞻。
- 技术实现可行性 :尽管面临材料学(耐高温高频压电陶瓷)和计算机科学(实时湍流解算)的巨大挑战,但在 2075 年的技术背景下,这些障碍在理论上是可以被工程手段克服的。
- 战术价值评估 :该技术通过牺牲热隐身和声隐身,换取了违背直觉的机动性。它将装甲厚度与飞行速度这两个互斥的属性强行融合。其代价是极高的系统复杂度和被探测风险。
最终判词 :“龙鳞”系统是工程学暴力美学的典范。它证明了只要有足够的能量和算力,甚至可以让砖头像燕子一样飞行。然而,正如李斯特教授所言,这并非魔法。在真实的战场上,这套系统将机甲变成了一个处于热力学和控制论边缘的“临界态”武器——极度强大,也极度脆弱。
报告撰写人:高级系统分析师 / 空气动力学专家组
第701垂直战术班技术顾问委员会
日期:2075年10月4日
“龙鳞”主动流动控制系统:科幻设定与现实SOTA对照分析报告
1. 核心执行机构:致动器技术 (Actuators)
1.1 硬件形态与集成度
- 2075年 科幻设定 :采用分布式智能蒙皮技术。数万片微型压电陶瓷(PZT)如生物鳞片般覆盖机甲全身,无需外部气源管道,完全集成于装甲表面。
- 2025年 现实 SOTA :目前最前沿的是合成射流致动器阵列 (SJA Arrays)。实验室已成功实现几十至上百个单元的阵列控制,主要用于机翼改型或卡车尾部减阻。
- 技术差距分析 :差距主要在集成密度上,相差约 3-4 个数量级。现实中的 SJA 体积仍相对较大(硬币大小),且每个单元都需要独立的驱动电路,布线极其复杂,目前难以做到“像皮肤一样”高密度无缝覆盖1。
1.2 工作机制
- 2075年 科幻设定 :基于零净质量通量 (ZNMF) 原理。通过吸入低速环境流体,喷出高速涡环,向边界层注入动量。
- 2025年 现实 SOTA :原理完全一致。SOTA 技术同样利用压电膜片震动产生空腔内的压力变化,实现吸入/喷出循环,无需携带沉重的高压气罐2。
- 技术差距分析 :无物理机制层面的差距,科幻设定非常精准地命中了这一技术路线。
1.3 工作频率与能效
- 2075年 科幻设定 :工作在 28.5 kHz (超声波段)。采用高频强迫 (High-Frequency Forcing) 策略,利用声流效应改变流场。
- 2025年 现实 SOTA :微机电系统 (MEMS) 级的致动器频率范围在几百 Hz 至几十 kHz 之间,频率参数已达标3。
- 技术差距分析 :差距在于能量转换效率。现实中,压电材料在高频高压驱动下的介电损耗极高,会导致材料急剧发热并快速疲劳断裂,难以像设定中那样长时间稳定运行。
2. 空气动力学原理:减阻机制 (Aerodynamics)
2.1 核心效果:虚拟流线
- 2075年 科幻设定 :构建虚拟流线 (Phantom Streamline)。在方形物体外围构建一个看不见的高压流体外壳,使空气流场“误以为”该物体是圆滑的水滴形。
- 2025年 现实 SOTA :对应概念为虚拟气动整形 (Virtual Aero-Shaping)。佐治亚理工学院等机构已在实验中证明,利用受控射流可以改变钝体(如机翼后缘)的有效气动外形4。
- 技术差距分析 :现实技术目前只能做到局部修形(如改变机翼弯度),尚无法做到构建包裹全身的完整“虚拟外壳”。
2.2 减阻幅度与物理效应
- 2075年 科幻设定 :阻力系数 () 从 >1.2 降至 ~0.35,减阻幅度超过 70%。主要利用柯恩达效应 (Coanda Effect) 引导气流大角度转弯。
- 2025年 现实 SOTA :针对卡车或方柱体的实验数据显示,主动流控通常能实现 20% - 40% 的减阻。主要机制是抑制尾流中的卡门涡街脱落5。【注意,该文献并不支持此论点】
- 技术差距分析 :存在能量增益比 (COP) 的鸿沟。要达到 70% 的暴力减阻,当前技术所需的输入能量极其巨大,甚至可能超过减阻所节省的燃油能量。此外,现实中的柯恩达效应更多用于增加升力(如 DARPA CRANE 项目),而非大角度钝体减阻6。
3. 控制系统:算法与算力 (Control & Computing)
3.1 控制策略
- 2075年 科幻设定 :采用暴力计算 (Brute Force)。通过实时求解纳维-斯托克斯 (N-S) 偏微分方程来应对环境的混沌变化。
- 2025年 现实 SOTA :学界公认实时求解 N-S 方程(DNS)是不可行的死胡同。SOTA 方向是深度强化学习 (Deep RL),即训练 AI 智能体根据传感器反馈凭“直觉”行动7。
- 技术差距分析 :这是设定与现实最大的方法论分歧。现实技术路线更倾向于数据驱动的黑盒模型,而非第一性原理的实时解算。
3.2 响应速度与鲁棒性
- 2075年 科幻设定 :微秒级实时响应,运算负荷导致 CPU 物理过热。
- 2025年 现实 SOTA :利用压力传感器阵列的闭环控制 (Closed-loop Control) 已能实现毫秒级响应。
- 技术差距分析 :现实中的 AI 模型存在泛化性 (Robustness) 问题。当遇到训练集之外的极端突发阵风(Out-of-distribution)时,AI 控制律容易失效,而设定中的物理方程解算在理论上更可靠,但计算量太大8。
4. 战术特征:声学与隐身 (Acoustics & Stealth)
4.1 声学信号特征
- 2075年 科幻设定 :产生 28.5 kHz 窄带信标。虽然人耳听不见,但在电子频谱图上是一道“刺破天际的红色波峰”。
- 2025年 现实 SOTA :物理描述完全准确。合成射流致动器工作时本质上是一个微型扬声器,会产生强烈的高频单音噪声 (Tonal Noise)9。
- 技术差距分析 :高度一致。高强度的流体控制必然伴随高强度的声辐射,这是物理定律决定的代价。
4.2 战场侦察与反制
- 2075年 科幻设定 :敌方利用被动声纳和 TDOA(到达时间差)技术锁定机甲位置,如同黑夜中开灯。
- 2025年 现实 SOTA :现代反狙击手系统和反无人机声学雷达已经具备了对特定频率声源进行声学阵列定位的能力。
- 技术差距分析 :一致。这属于成熟的信号处理与电子战技术范畴。
5. 总结
这份科幻设定是一份极具“硬核”气质的技术推演。它将 DARPA CRANE 项目的愿景与 Steven Brunton 等学者的流体控制理论进行了未来化推演。
- 硬科幻指数 :9.5/10
- 最真实的设定 :压电合成射流的物理原理、虚拟整形的概念、声学暴露的代价。
- 最科幻的设定 :将数万个高能致动器集成进装甲的工程能力,以及实时求解 N-S 方程的算力策略。
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