流体动力学研究人员揭示了部分淹没的物体如何经历阻力

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在新的研究中，布朗大学的研究人员描述了部分淹没物体的阻力可能比完全淹没的物体上的阻力大几倍。图片由哈里斯实验室提供。 图片来源：哈里斯实验室。

在所有流体动力学中，最常见和最实用的实验之一是将物体保持在空气中或将其完全浸入水下，将其暴露在稳定的流动中以阻力的形式测量其阻力。对抗阻性的研究导致了飞机和车辆设计的技术进步，甚至促进了我们对环境过程的理解。

如今，这要困难得多。作为流体动力学中最彻底研究的方面之一，很难从这些经典实验中收集或详细说明有关阻力阻力的简单物理学的新信息。但是，由布朗大学科学家领导的一组工程师设法将这个问题带到水面 - 即水面。

在《物理评论流体》的一篇新论文中描述，研究人员在实验室中创建了一个类似河流的小通道，并将由不同防水材料制成的球体降低到溪流中，直到它们几乎完全被流水淹没。

实验结果说明了基本（有时是违反直觉）的机制，即部分淹没物体上的阻力可能比由相同材料制成的完全淹没物体上的阻力大几倍。

例如，由布朗工程师罗伯特·亨特（Robert Hunt）和丹尼尔·哈里斯（Daniel Harris）领导的研究人员发现，无论球体材料多么防水，球体接触水的那一刻，球体上的阻力都会增加。每次，阻力的增加都大大超过预期，并且随着球体的降低而继续增加，只有在球体完全低于水面时才开始下降。

“有一个中间时期，进入水中的球体正在产生最大的干扰，因此阻力比在水面以下要强得多，”布朗工程学院助理教授哈里斯说。“我们知道随着球体的降低，阻力会上升，因为它们会阻挡更多的稳定流动，但令人惊讶的是它上升了多少。然后，当你继续将球体推得更深时，阻力就会回落。

研究表明，部分淹没物体上的阻力可能是完全淹没物体的三到四倍。例如，最大的阻力是在球体完全淹没之前测量的，这意味着水在它周围流动，但表面仍然有一个小的干燥点伸出。

“你可能会期望有多少球体在水中与阻力有多大相对应，”哈里斯实验室的博士后研究员，该研究的第一作者亨特说。“如果是这样，那么你可能会天真地近似阻力，说如果球体几乎100%在水中，阻力将几乎与完全浸入水面以下相同。我们发现阻力实际上可能比这大得多 - 不像50%，但更像是300%或400%。

研究人员还发现，球体的防水水平在其经历的阻力中起着关键作用。这就是事情变得有点违反直觉的地方。 部分浸没物体上的阻力可能是完全浸没物体的三到四倍。涂有超疏水材料的球体，使其非常防水，比疏水性较低的球体遇到更多的阻力。图片由哈里斯实验室提供。 图片来源：哈里斯实验室

该实验是用三个球体完成的，除了一个球体涂有超疏水材料，使其非常防水，而其他球体则由防水性越来越差的材料制成。

通过实验，研究人员发现超疏水涂层比其他两个球体遇到更大的阻力。这是一个惊喜，因为他们预料到相反的情况。

“超疏水材料经常被提出来减少阻力，但是，在我们的案例中，我们发现超疏水球体在几乎完全浸入时比任何其他防水球体具有更大的阻力，”亨特说。“在试图减少阻力时，你实际上可能会大大增加它。

这篇论文解释说，简单的物理学是可能的原因。

“水不想与这个超疏水球有任何关系，所以它尽其所能，在某种程度上，摆脱球体，”哈里斯说。“但是发生的事情是，其中大部分堆积在它前面，所以最终有一堵水墙，球体正在撞击。直觉上，你会认为水应该更自由地滑过。在这种情况下，物理学实际上反对这一点。

这篇论文的发现有朝一日可能会对在空气和水界面运行的设计和结构产生影响，比如小型自动驾驶汽车。就目前而言，这项基础研究的独立物理学已经足够有趣了，因为目前对该领域对部分淹没物体的研究还没有很好的表征或理解。

“我们很惊讶没有人进行这些测量，”哈里斯说。“这是一个如此简单的想法，但这里有很多丰富的物理学。

研究人员选择球体作为第一个三维物体，因为它们的几何形状非常简单。它们只有一个长度尺度——半径。球体作为一个起点，能够在转向更复杂的形状之前将物理力学剥离到最基本的原理。

“从最简单的一点开始，我们看看这里的物理学是什么，然后作为下一步，我们开始将我们的知识应用于更现实的结构，无论是模拟生物结构还是观察人造推进结构，”哈里斯说。

亨特和实验室成员伊莱·西尔弗（Eli Silver）设计了用于创建水流实验的水槽装置，并对电动升降机进行了编程，将球体降低到水道中。这项工作始于与布朗工程学院教授尤里·巴齐列夫斯（Yuri Bazilevs）的合作。它还包括来自伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的研究人员，他们进行了计算机模拟。

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原标题：《流体动力学研究人员揭示了部分淹没的物体如何经历阻力》

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