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田新亮研究小组“软尾减阻”新发现

Siriuschao 2020-7-15 23:50213 人围观 来自: 船建学院新闻

简介 :《物理评论快报》封面论文发表上海交通大学田新亮研究小组“软尾减阻”新发现。

    7月14日,上海交大船建学院田新亮副教授研究小组在国际顶级物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters, PRL)上发表了题为“Shape deformation and drag variation of a coupled rigid-flexible system in a flowing soap film”(流动皂膜中一种刚-柔耦合系统的形状与阻力变化)的最新研究成果,首次提出一种全新减阻方法——“软尾减阻”,并通过精巧的实验进行证实。该工作获得“编辑推荐”(Editors‘ Suggestion)作为亮点论文(Highlights)在PRL期刊主页进行特别介绍,并被选为本期PRL封面论文(Cover image for Vol. 125, Iss. 3)(图1)。

  图1 《物理评论快报》第125卷,第3期封面   

    鸢飞戾天,鱼跃于渊,动物们通过进化躯体结构、扭动身姿得以在大自然遨游;草木“从风而靡”以减小风阻,避其锋芒而后起。如何有效减小运动物体所受流体阻力是一个经典的物理问题,也是对流体工程装备性能的重要考量。为了实现减阻、增速、节能之目的,人们把车辆设计成流线外形,为船舶加装了球鼻艏,在高尔夫球表面添加了许多凹坑……那么,是否有其他不改变物体自身结构,就能有效减小流体阻力的方法呢?多年前,田新亮博士在研究薄板流动问题时,看到随风飘动的裙摆(图2),萌生了给钝体“穿上披风”来减阻的奇想,即“软尾减阻”。如今,这个看似异想天开的想法正在逐渐成为现实。

图2 随风飘动的裙摆(Regine Relang摄于1942年)

    2018年4月起,田新亮研究小组采用实验方法逐步证实了“软尾减阻”猜想,并建立理论模型深入探讨其背后的物理机制。首先,他们搭建了竖直流动肥皂膜实验系统“SJTU-FILM”,实现了对准二维流场的稳定模拟;然后,在尝试了多种柔性材料后,成功构造了“刚性平板-柔性细丝”耦合系统并将其置入“SJTU-FILM”中,形象地模拟了“穿着披风”的钝体在流场中运动的场景。为了确保获得高质量的实验数据,他们还自行研制了精度高达0.01毫克的测力装置,发明了连续调节柔性细丝长度的方法,成功实现了在不中断肥皂膜流动条件下的连续稳定测量(图3)。

图3 (a)“SJTU-FILM”示意图和(b-d)不同长度细丝在皂膜中的形状  

   研究表明,给一个平板“穿上”其2.3倍长度的“披风”,减阻效果最高可达10%(图4)。研究小组还惊喜地发现,类似的减阻现象稳定存在于较宽的流速范围内,且对细丝的刚度不太敏感。需要指出的是,该研究依然只是揭开了“软尾减阻”这一新型流固耦合问题的冰山一角,期待在不久的将来,有更详细深入的理论和数值研究来揭示其深层次的物理机制,直至实现工程应用。或许有一天,我们真的会看到身着宽松衣服奔跑的运动员,或者穿着“披风”深潜的“蛟龙号”!

图4 不同刚度的细丝在不同长度下的减阻效果(流速为1.45米每秒)。   

    该研究由田新亮副教授带领三名硕士研究生独立完成,上海交通大学为唯一署名单位。论文第一作者高颂已毕业,目前于美国西北大学攻读博士学位;第二作者潘松和第三作者王怀成均为硕士二年级研究生;最后作者和通讯作者为田新亮。该研究受到上海市自然科学基金(19ZR1426300)和国家自然科学基金重点项目(11632011)资助。   

全文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.034502

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已有1条评论

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  • 这个跟超空泡不是异曲同工吗?
    2020-7-20 11:06 引用

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