跟小丑魚尼莫學習在高粘度流體中提升推力

2021-02-25 航空知識

  虎落平陽被犬欺,那不幸落入洗衣液中尼莫光景如何呢?


  常見的遊魚在水中通過擺動尾鰭獲得向前的推進力,可當落入高粘度液體中,不論蛙泳還是狗刨都舉步維艱。為了恢復尼莫的行動能力,我們請來了顯微鏡下的微生物,向他們學習新的遊泳技巧。


  魚類遊動時,Re數高達數千乃至上百萬,反觀微小生物,其活動時Re數僅有萬分之一。我們在先前認識到,隨著流動的Re數的增加,層流會轉化成為湍流,這背後隱藏著一個深刻的物理含義, Re數表徵著慣性力和粘性力之比(量級上的比,而非具體比值),可見Re數越大流體運動中慣性力的作用便越大,Re數越小,粘性力的作用則更加顯著。

  視頻中,我們通過控制流體的粘性、速度來控制射流的Re數的大小,射流材料包括糖漿、甘油、甘油和水的混合物、水等。通過觀察,我們可以對慣性力和粘性力在流動中的影響有個感官上的認識。


  實驗中的第一個模型,在水中運動自如,而在糖漿中,卻因為低雷諾數運動的反演性無法向前推進;第二個模型,在粘性應力中獲得推進力,當一段運動方向和螺旋軸線夾角合適,並且旋轉方向正確時,就可以得到縱向的運動。

  洗衣液粘性大,小丑魚在其中遊泳可視為低雷諾數的運動,此刻流體粘性力的作用更為顯著。因此,通過擺動魚尾獲得慣性力的推進就不再合適了,像微生物一樣,在低雷諾數的環境中利用粘性力作為推進力,才是明智之舉。

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