Shape-Morphing Dynamics of Soft Compliant Membranes for Drag and Turbulence Modulation

阻力 湍流 机械 物理 唤醒 变形 运动学 流量(数学) 经典力学 计算机科学 计算机视觉
作者
Varghese Mathai,Asimanshu Das,Dante L. Naylor,Kenneth Breuer
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:131 (11) 被引量:7
标识
DOI:10.1103/physrevlett.131.114003
摘要

We study the kinematics and dynamics of a highly compliant membrane disk placed head-on in a uniform flow. With increasing flow velocity, the membrane deforms nonlinearly into increasingly parachutelike shapes. These aerodynamically elongated materials exhibit a modified drag law, which is linked to the elastohydrodynamic interactions. We predict the unsteady structural response of the membranes using a nonlinear, aeroelastic model---in excellent agreement with experimental measurements of deformations and force fluctuations. With simultaneous membrane interface tracking, force measurements and flow tracing, we reveal that a peculiar skewness in the membrane's oscillations triggers turbulence production in the wake, thereby modulating the drag. The present work provides a demonstration of the complex interplay between soft materials and fluid turbulence, leading to new, emergent system properties.
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