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软物质和液体

软物质和液体

科学家解决流体难题

03 Oct 2008
物料分离钉

美国的科学家解决了可以追溯到100多年前的流体动力学问题,即如何精确模拟当空气或水层从运动物体上脱离时所发生的情况。他们已经开发出一种理论来准确预测这种分离的发生位置,并通过实验证实了这些预测,这表明未来的汽车制造商可能会制造会不断轻微改变形状的汽车,以最大程度地减小阻力。

当固体物体移动通过液体(液体或气体)时,空气在​​物体不同部位上的加速度变化都会产生压力分布,从而影响空气在紧邻物体的边界层中流动的方式。足够大的压力梯度可以使该边界层充分减速,以使其停滞,然后从物体的物体前缘脱离。—空气完全撞击物体的地方。

根据伯努利’根据原理,空气分离层的较低速度会增加其压力,因此,当空气层从行驶中的汽车的前缘分离时,它将增加车辆前部的压力,因此会阻止其向前运动(称为阻力增加)。对于正在运动的飞机,机翼上的额外压力将导致升力损失,从而迫使飞机失去高度。

德国物理学家路德维希·普兰特(Ludwig Prandtl)于1904年推导了这种流动分离的数学原理。但他的方程式仅限于稳定的二维流动—以恒定速度绕物体运动的流动。结果,他的方法无法描述许多现实世界的情况,例如汽车加速或减速,或飞机起降。

动力系统理论取得成功

2004年 乔治·哈勒 麻省理工学院(MIT)的研究人员和同事用数学方法描述了如何在二维空间内进行非稳态流动分离,他的团队现在将这一分析扩展到了三维空间( 物理液体 20 097101)。普朗特(Prandtl)使用传统的流体力学来描述特定时间点的流体状态,例如速度等宏观指标,而哈勒则应用了应用数学的一个分支,即动力学系统理论来绘制单个流体的演化图。这使Haller能够识别出流体中结构的确切位置,该结构将包裹引导离开所讨论的固体表面。

该理论至少得到了Haller领导的一个小组的部分验证。’s colleagues at MIT, 汤玛斯·孔雀。孔雀和同事们填补了丙烯酸40 装有液体甘油的厘米厘米长的储罐,将其夹在下面的电动冷却剂层和上面的植物油之间。然后,他们通过将一个管子放在水箱的中间,然后使用电动机旋转该管并将其从水箱的一侧移到另一侧,来使流体运动。

通过将染料插入槽中,然后通过用激光束照射染料(使其发出荧光)来观察染料如何分散,孔雀’s team were able to 定位 甘油恰好从储罐侧壁之一分离的位置。该位置非常匹配使用Haller预测的位置’s 2D理论在模拟水箱内的情况时,令人惊讶地表明,即使在高度混乱的流动中,该位置也是固定的( 流体力学杂志。 611 1)。

调整汽车的形状

据孔雀说,这项工作最终可以通过允许一系列传感器和致动器在理论上预测边界层应发生分离的那些点上分布在整个车辆表面上来改善车辆性能。关于穿过传感器的气流的信息将用于对车体的形状进行微小的调整,以延迟或防止这种分离。

但是,孔雀指出,这只有在能源节省超过弥补高科技设备所带来的额外成本和重量的前提下才有意义。他还指出,该理论目前的形式无法说明在水箱中研究过的某些类型的水流—例如那些由于振荡周期随机变化的干扰—但补充说,哈勒正在努力扩展该理论,以解决这一问题。孔雀和同事还计划测试海勒’s 3D theory.

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