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前沿| PRL封面:超人的披风有什么用?可能是软尾减阻

前沿| PRL封面:超人的披风有什么用?可能是软尾减阻 两江科技评论
2020-07-28
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导读: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%。


为什么超人、蝙蝠侠、闪电侠、绿灯侠等都穿着斗篷?这是否有空气动力学的因素?

在自然界,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。

如何减小运动物体所受的阻力,是一个经典的物理问题。

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?


7月14日,上海交大船建学院田新亮副教授研究小组在Physical Review Letters上发表了最新研究成果。研究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。

该工作思路清奇,构思巧妙,获得“编辑推荐”(Editors’ Suggestion)并被选为本期PRL封面论文。



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,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。

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。


a)“SJTU-FILM”示意图和(b-d)不同长度细丝在皂膜中的形状


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。

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%!!!


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)


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”

或者,把咱们的拖拉机,都加上披风吧!!



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。



CFD界:至此,超人的头发、披风,看起来都是处处充满流体力学优化过的,剩下来的,貌似就应该是内裤了。请问各位老师,这种内裤外穿,是出于什么空气动力学特性呢?

文献链接:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.034502

文章来源:公众号CFD界

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