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蒲公英的长途分散秘诀在于新的计算揭示

29 Jul 2019
EPFL科学家
Flower Power:Epfl的码头Giuseppe Ledda(左)和Pappus仿真的FrançoisGallaire(礼貌:Alain Herzog / EPFL)

瑞士的科学家们,荷兰和意大利已经解释了为什么保持蒲公英种子高举的刷子状结构大约100个刷毛。该团队计算规定,100是确保在增强种子飞行的空气中涡旋结构的稳定性所需的数量。该研究提供的见解可能导致新型微小飞行无人机的发展。

蒲公英可以在全球范围内的许多地方找到,部分原因是野花的能力在风中传播了种子。授粉后,蒲公英花了成白色蓬松的“吹气”。这包括单个水果,每个水果连接到称为“pappus”的微小刷状降落伞 - 具有大约100个单独的刷毛长丝。当空气温暖和干燥时,这种结构允许种子在100km或更长距离的距离上保持高处。

2018年,由Naomi Nakayama和Ignazio Maria Viola的一支由Naomi Nakayama和Ignazio Maria Viola队的多学科团队发现,而不是作为一个微小的降落伞,Pappus使用意想不到的机制来保持其种子高处。他们表明,通过流过Pappus的空气产生和稳定在种子附近的空气中的“分离的涡旋环”。被分离的涡旋环提供的电梯增强被认为是蒲公英的非凡飞行能力。然而,究竟需要多少根长丝来创建一个稳定的漩涡环仍然是一个谜。

飞行稳定性

现在,  Françoisgallaire. EPFL Lausanne的同事,Twente大学和比萨大学都评估了蒲公英种子在自然界遇到的波动下的飞行稳定性。通过Pappus的细丝的流动的理论研究使用了一种简化的盘模型让人想起自行车车轮及其辐条。

研究人员认为不同的典型空气速度,圆盘尺寸和长丝的数量,并计算了Navier-Stokes方程的稳态解决方案。他们表明Pappus孔隙率具有阈值,超出流动变为分离和循环的涡旋环。

“对于所有的研究案例,我们首先计算潜在的稳定基础状态,然后我们研究其线性稳定性,”解释说  Françoisgallaire.,谁领导了在洛桑EPFL的调查。 “我们构建了这项研究的方式是我们修复了单丝的几何形状,以及磁盘Pappus的几何形状。我们各不相同的唯一参数是长丝的数量。“

Reynolds号码

通过长丝的气流稳定分离的涡旋环,涡旋稳定性取决于两个参数。这些是PAPPUS及其雷诺数的渗透性 - 后者由PAPPUS和风速的大小定义。

研究人员固定了模拟Pappus的尺寸,通过改变其中的长丝数来改变pappus的孔隙率。根据它们的计算,蒲公英Pappus中的理想长丝数量,以允许创造分离的涡旋环所需的适当渗透率约为100 - 这与爱丁堡团队本质上观察到的数字。

没有参与这项最新研究的爱丁堡的Viola表示,Gallaire和同事已经计算了他团队发现的流动特征的稳定性的限制。

新型无人机

这种对涡旋环稳定的新了解开启了创建由蒲公英Pappus启发的技术的令人兴奋的可能性。了解长途飞行所需的属性可用于创建具有监视,安全性和监控空气质量和安全的应用程序的小型飞行无人机。

“我们的研究代表了蒲公英Pappus流动方程稳定性的理论研究。如果我们要考虑另一个设计,需要基于数学优化来探索一系列变量,“Gallaire说。 “然而,这将是我们结果的一个非常好的延伸,”他补充道。

Viola补充说:“我们以前的研究已经触及了这一领域;我们以开槽磁盘模型的形式创建了一种无人机原型。我设想真正的功能无人机将粗略地具有蒲公英的尺寸,因为我们不确定我们可以走的大大大。 Viola补充说,他热衷于与Gallaire的团队合作,进一步了解Pappus和潜在应用程序。

遗憾的是,爱丁堡队的成员之一 - Enrico Mastropaolo - 于2019年7月15日去世。中提琴和同事们致力于他的记忆。

研究描述了 物理评论流体.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者