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流动隐身衣的均匀化设计与减阻特性研究

王浩 姚能智 王斌 王学生

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流动隐身衣的均匀化设计与减阻特性研究

王浩, 姚能智, 王斌, 王学生

Homogenization design and drag reduction characteristics of hydrodynamic cloaks

Wang Hao, Yao Neng-Zhi, Wang Bin, Wang Xuesheng
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  • 流动隐身衣因为其可以显著降低指定目标的表面阻力而备受关注。然而大多数传统流动隐身衣的设计参数为非均匀各向异性,非均匀这一限制增加了制备流动隐身衣的难度。为突破这种限制,本文采用等效介质理论与积分中值定理,将流动隐身衣所需的设计参数均匀化。通过数值模拟验证了简化后的均匀流动隐身衣具有与非均匀流动隐身衣具有一样的隐身效果,并且同样适用于多种流场。这种简化方法不仅可以将非均匀流动隐身衣简化为均匀流动隐身衣,更重要的是可以适用于其他领域,如光学、声学、电磁学与热学等不同领域的超材料均匀化设计,为降低超材料制备难度提供了新方法。此外,基于均匀流动隐身衣对不同流场的适用性,首次设计了一种流动伪装装置,该装置可以将原始物体所产生的流场伪装成由任意物体引起的期望流场,为实现流动伪装提供了解决方案。最后,定量对比分析了流动隐身衣的隐身与减阻性能随着雷诺数增加的变化,结果表明在非蠕动流时流动隐身衣仍然具有良好的隐身性能与较高的减阻效率。
    Hydrodynamic cloaks have attracted extensive attention because of their ability to significantly reduce the surface resistance of designated target. However, most of parameters of traditional hydrodynamic cloaks present inhomogeneous and anisotropy, which increases the challenge of manufacturing hydrodynamic cloaks for us. To overcome this limitation, equivalent medium theory and integral median theorem are used to homogenize the parameters of hydrodynamic cloaks. Numerical simulations verify that the simplified homogeneous hydrodynamic cloaks exhibit the equivalent cloaking effect as inhomogeneous hydrodynamic cloaks, which can be applied to different flow fields as well. This simplified method not only can simplify inhomogeneous hydrodynamic cloaks to homogeneous hydrodynamic cloaks, but also can be applied to other physical fields, such as optics, acoustics, electromagnetics, and thermodynamics among other areas for the homogenization of metamaterial design, providing a new method to relax the difficulty of metamaterial design. In addition, based on the applicability of homogeneous hydrodynamic cloaks to different flow fields, hydrodynamic camouflage devices are designed that can camouflage the flow fields generated by the original objects into fields caused by arbitrary objects, offering a scheme for achieving hydrodynamic camouflage. Finally, as Reynolds numbers increase, the cloaking and drag reduction performance of hydrodynamic cloaks are quantitatively compared and analyzed. The results show that hydrodynamic cloaks still exhibit high performance in cloaking and drag reduction in non-creeping flows.
  • [1]

    Pendry J B, Schurig D, Smith D R 2006 Science 3121780

    [2]

    Schurig D, Mock J J, Justice B J, Cummer J B, Starr A F, Smith D R 2006 Science 314977

    [3]

    Liu R, Ji C, Mock J J, Chin J Y, Cui T J, Smith D R 2009 Science 323366

    [4]

    Han T, Qiu C W, Tang X 2010 Opt. Lett. 352642

    [5]

    Chen H, Chan C T 2007 Appl. Phys. Lett. 91183518

    [6]

    Zhang S, Xia C, Fang N 2011 Phys. Rev. Lett. 106024301

    [7]

    Greenleaf A, Kurylev Y, Lassas M 2012 Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 10910169

    [8]

    Zigoneanu L, Popa B I, Cummer S A 2014 Nat. Mater. 13352

    [9]

    Fan C Z, Gao Y, Huang J P 2008 Appl. Phys. Lett. 92251907

    [10]

    Guenneau S, Amra C, Veynante D 2012 Opt. Express 208207

    [11]

    Li Y, Shen X, Wu Z, Huang J P, Chen Y X, Ni Y S, Huang J P 2015 Phys. Rev. Lett. 115195503

    [12]

    Shen X, Li Y, Jiang C, Huang J P 2016 Phys. Rev. Lett. 117055501

    [13]

    Hu R, Zhou S, Li Y, Lei D Y, Luo X B, Qiu C W 2018 Adv. Mater. 301707237

    [14]

    Wang B, Shih T M, Huang J P 2021 Appl. Therm. Eng. 190116726

    [15]

    Huang J P 2020 ES Energy Environ. 71

    [16]

    Xu L J, Huang J P 2020 Chinese Phys. Lett. 37080502

    [17]

    Xu L J, Huang J P 2020 Chinese Phys. Lett. 37120501

    [18]

    Yang S, Wang J, Dai G L, Yang F B, Huang J P 2021 Phys. Rep. 9081

    [19]

    Xu L J, Yang S, Huang J P 2021 EPL 13320006

    [20]

    Wang H, Yao N Z, Wang B, Shih T M, Wang X S 2022 Appl. Therm. Eng. 206118012

    [21]

    Zhang S, Genov D A, Sun C, Zhang X 2008 Phys. Rev. Lett. 100123002

    [22]

    Greenleaf A, Kurylev Y, Lassas M, Uhlmann G 2008 Phys. Rev. Lett. 101220404

    [23]

    Bjckmann T, Thiel M, Kadic M, Schittny R, Wegener M 2014 Nat. Commun. 51

    [24]

    Bjckmann T, Kadic M, Schittny R, Wegener M 2015 Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1124930

    [25]

    Urzhumov Y A, Smith D R 2011 Phys. Rev. Lett. 107074501

    [26]

    Urzhumov Y A, Smith D R 2012 Phys. Rev. E 86056313

    [27]

    Li C Y, Xu L, Zhu L L, Zou S Y, Liu Q H, Wang Z Y, Chen H Y 2018 Phys. Rev. Lett. 121104501

    [28]

    Zou S Y, Xu Y D, Zatianina R, Li C Y, Liang X, Zhu L L, Zhang Y Q, Liu G H, Liu Q H, Chen H Y, Wang Z Y 2019 Phys. Rev. Lett. 123074501

    [29]

    Tay F, Zhang Y, Xu H, Goh H, Luo Y, Zhang B L 2019 arXiv:1908.07169

    [30]

    Park J, Youn J R, Song Y S 2019 Phys. Rev. Lett. 123074502

    [31]

    Park J, Youn J R, Song Y S 2019 Phys. Rev. Appl. 12061002

    [32]

    Park J, Youn J R, Song Y S 2021 Extreme Mech. Lett. 42101061

    [33]

    Wang B, Shih T M, Xu L J, Huang J P 2021 Phys. Rev. Appl. 15034014

    [34]

    Boyko E, Bacheva V, Eigenbrod M, Paratore F, D.Gat A, Hardt S, Bercovici M 2021 Phys. Rev. Lett. 126184502

    [35]

    Hele-Shaw 1898 Nature 58520

    [36]

    Park J, Song Y S 2020 J Fluids Struct 98103136

  • [1] 魏巍, 管峰, 方鑫. 基于带隙阻波隔振的超材料梁吸隔振一体化设计方法. 物理学报, doi: 10.7498/aps.73.20241135
    [2] 陈闻博, 陈鹤鸣. 基于超材料复合结构的太赫兹液晶移相器. 物理学报, doi: 10.7498/aps.71.20212400
    [3] 王浩, 姚能智, 王斌, 王学生. 流动隐身衣的均匀化设计与减阻特性. 物理学报, doi: 10.7498/aps.70.20220346
    [4] 崔铁军, 吴浩天, 刘硕. 信息超材料研究进展. 物理学报, doi: 10.7498/aps.69.20200246
    [5] 王越, 冷雁冰, 王丽, 董连和, 刘顺瑞, 王君, 孙艳军. 基于石墨烯振幅可调的宽带类电磁诱导透明超材料设计. 物理学报, doi: 10.7498/aps.67.20180114
    [6] 韩江枫, 曹祥玉, 高军, 李思佳, 张晨. 一种基于超材料的宽带、反射型90极化旋转体设计. 物理学报, doi: 10.7498/aps.65.044201
    [7] 孙良奎, 于哲峰, 黄洁. 基于超材料的定向传热结构研究与设计. 物理学报, doi: 10.7498/aps.64.084401
    [8] 孙良奎, 于哲峰, 黄洁. 基于超材料的平板二维定向传热结构设计. 物理学报, doi: 10.7498/aps.64.224401
    [9] 秦春雷, 杨晶晶, 黄铭, 胡艺耀. 基于拉普拉斯方程的任意形状热斗篷研究与设计. 物理学报, doi: 10.7498/aps.63.194402
    [10] 周卓辉, 刘晓来, 黄大庆, 康飞宇. 一种基于十字镂空结构的低频超材料吸波体的设计与制备. 物理学报, doi: 10.7498/aps.63.184101
    [11] 邹涛波, 胡放荣, 肖靖, 张隆辉, 刘芳, 陈涛, 牛军浩, 熊显名. 基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计. 物理学报, doi: 10.7498/aps.63.178103
    [12] 常红伟, 马华, 张介秋, 张志远, 徐卓, 王甲富, 屈绍波. 基于加权实数编码遗传算法的超材料优化设计. 物理学报, doi: 10.7498/aps.63.087804
    [13] 刘亚红, 方石磊, 顾帅, 赵晓鹏. 多频与宽频超材料吸收器. 物理学报, doi: 10.7498/aps.62.134102
    [14] 鲁磊, 屈绍波, 施宏宇, 张安学, 张介秋, 马华. 基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化极化不敏感超材料吸波体. 物理学报, doi: 10.7498/aps.62.158102
    [15] 韩松, 杨河林. 双向多频超材料吸波器的设计与实验研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.62.174102
    [16] 沈晓鹏, 崔铁军, 叶建祥. 基于超材料的微波双波段吸收器. 物理学报, doi: 10.7498/aps.61.058101
    [17] 程用志, 聂彦, 龚荣洲, 郑栋浩, 范跃农, 熊炫, 王鲜. 基于超材料与电阻型频率选择表面的薄型宽频带吸波体的设计. 物理学报, doi: 10.7498/aps.61.134101
    [18] 刘涛, 曹祥玉, 高军, 郑秋容, 李文强. 基于超材料的吸波体设计及其波导缝隙天线应用. 物理学报, doi: 10.7498/aps.61.184101
    [19] 吴翔, 裴志斌, 屈绍波, 徐卓, 柏鹏, 王甲富, 王新华, 周航. 具有极化选择特性的超材料频率选择表面的设计. 物理学报, doi: 10.7498/aps.60.114201
    [20] 孙良奎, 程海峰, 周永江, 王军, 庞永强. 一种基于超材料的吸波材料的设计与制备. 物理学报, doi: 10.7498/aps.60.108901
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  • 上网日期:  2022-03-24

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