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​《自然》:从心脏获得的灵感——脉动式泵送可抑制管道湍流现象

​《自然》:从心脏获得的灵感——脉动式泵送可抑制管道湍流现象 浦江同舟
2023-09-15
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自然

创新从来不是“无中生有”,正是善于向自然界学习,让人类文明不断向前发展。我们常会惊叹那些来自大自然的灵感,而科学家早已将目光瞄向自己。

在《自然》最新发表的一篇论文中,研究人员从人类心脏中获得灵感,设计了一种以主动脉血流的脉动方式来泵送管道内的液体,将阻力最多降低25%,比稳定泵送的管流节能约9%,有望提升工业液体输送效率,降低能耗。



伤脑筋的湍流

生活中有许多场景需要使用管道输送液体或气体。许多行业需要输油或输气管道,而暖气管或许是人们日常生活中最容易遇见的了。事实上,经过管道或通道的液体“旅程”并没有我们想象的那么一帆风顺,它们经常会因为摩擦力而形成湍流。

对于管道输送来说,湍流不是件好事,它会增加流体的阻力,使得流体的运动变得更加困难。这是因为湍流会使流体中的能量分散,导致流体的动能减小,从而增加阻力。由此带来的就是增加泵送这些液体所需的能耗,提升了泵送的成本。

从心脏脉动找灵感

但是人类的心脏却很神奇。在正常生理情况下,脉动血流,特别是主动脉的血流,尽管峰值速度相对较大,但湍流强度却很低,毕竟,如果血流中湍流水平过高的话就要割伤敏感的血管。


奥地利科技学院Björn Hof和同事从中获得灵感,希望设计一种脉动式的泵送方式来降低管道湍流。


一开始,他们在管流中引入周期性脉动,发现对降低湍流的作用很有限。之后,他们尝试引入与心动周期中舒张期类似的休息期,即在两次震动间停止一段时间,就好像心脏在两次跳动间会有休息的状态一般。结果显示,这种方式能将湍流的阻力最多降低25%,比稳定泵送管流节约了9%的能耗。


这是个非常惊人的数据。有专家测算,液体泵送约占欧盟全部能耗的15%,因此能减少9%的泵送能耗对于一直想方设法节约能源的欧洲各国来说实在是个好消息。


不过,该论文作者同时也提醒,这项研究中使用的流体性质可能与工业管流中使用的并不等同,而且实验中使用的都是笔直的管道,显示世界的管道会更为复杂,要将这样的节能真正转为现实,后续仍需开展更多研究。

无论如何,这项研究让我们深刻体会到,灵感无处不在,它们可能在大自然中,可能在你身边,甚至就在你的身上,就看你是否能捕捉到。



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参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06399-5

DOI:10.1038/s41586-023-06399-5

栏目支持: 市科技工作党委、市教卫工作党委

编辑:李菁

【声明】内容源于网络
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