圆柱绕流与卡门涡街，是几乎所有流体力学教材中的“必修内容”。然而，当两个圆柱并排放置时，看似简单的流动却会变得异常复杂、有趣。当空气穿过两物体之间的狭窄间隙时，下游的气流往往会在左右之间随机摆动——这一经典的“flip-flopping”现象，长期以来被视为流体力学中典型的非定常问题之一。过去的研究中，人们偶然发现：若其中一个圆柱能振动，气流似乎会更倾向于振动圆柱一侧。然而，这种“偏心”背后的物理原因始终未被揭示。近日，南京航空航天大学卢天健、Tongbeum Kim团队在Journal of Fluids and Structures 发表最新研究成果（DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2025.104432），首次揭示了扑振悬臂使间隙气流稳定偏置的物理机制。研究发现：扑振运动强化了悬臂表面分离剪切层中的 Kelvin–Helmholtz不稳定性，进而通过加快尾流中漩涡的发展而诱导稳定的横向压力差，推动间隙气流持续偏向振动悬臂一侧，这一发现为理解多钝体流致振动提供了新的理论基础。
（DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2025.104432）
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Fig. 1. Wake patterns of side-by-side cantilever arrays. (a) Stationary cantilevers with a bi-stable gap flow that switches its direction, and (b) Flapping-stationary cantilever array with the gap flow biased towards the flapping cantilever.
一、从“双稳态”到“稳定”
即使是对称的构型也能表现出非对称的物理行为！在传统的并列双圆柱绕流中，间隙气流会在左、右两侧间不断切换方向，形成典型的“双稳态（左←→右）”甚至“三稳态（左←→中←→右）”尾流。这种流动的方向不确定性在热交换器、桥梁结构、风能采集等工程系统中尤为重要。
研究团队在风洞中搭建了一个短振动–静止悬臂阵列，并结合热线测速（HWA）、粒子图像测速（PIV）与压力测量，系统分析了振动-静止悬臂阵列的流动特性。结果显示：在此特定间距范围内，气流稳定地偏向扑振悬臂一侧，再也不会出现传统的随机切换!
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Fig. 2. Stably biased gap flow and shear layers developed above the flapping cantilever. (a) Visualized stably biased gape flow, (b) Time-averaged vorticity (
) distribution.
二、物理机制：扑振触发Kelvin–Helmholtz不稳定性
通过PIV可视化与漩涡脱落频谱分析，研究发现扑振运动会在悬臂表面的分离剪切层内触发更强的Kelvin–Helmholtz不稳定性，并提前诱导Kármán涡街形成。这导致扑振侧的尾流速度恢复更快、压力更低，进而产生了一个振动圆柱一侧更低的横向压力梯度，将间隙气流持续被“推向”扑振悬臂。这一压力差沿流向上游传播（即“势流效应”），最终形成了稳定的单侧偏置流动——这正是“间隙流动为何向振动圆柱偏心”的答案。
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Fig. 3. Velocity field behind flapping-stationary cantilevers in a side-by-side arrangement by PIV. (a) Instantaneous velocity field (U), and (b) Time-averaged velocity () field and transverse distributions of and Cp at a downstream plane (B-B).
三、学术与工程意义
该研究首次提出并验证了偏置间隙流的物理成因。这一机制阐明了流致振动系统中剪切层不稳定性与尾流演化的耦合关系，为未来在风能采集、阵列气动优化、被动流动控制等领域的设计提供了新思路。
