米兰官网-螺旋桨正转，为何潜艇向后行驶？—新闻—科学网

于人们的知识中，螺旋桨作为船舶、潜水艇等装备的重要动力来历，不单可以为航行器提供进步的动能，并且其扭转的标的目的也直接影响着航行器的进步标的目的——螺旋桨正转，船体向前；螺旋桨倒转，则会动员航行器向后运动。

但有无一种可能，螺旋桨不管是正转还有是倒转，航行器城市向后运动？

不久前，《美国国度科学院院刊》（PNAS）登载了一项中国北京邮电年夜学物理科学与技能学院传授丁阳团队的研究结果。该团队初次发明于净水中能借助螺旋桨正常运动的微型潜艇，于硅油中却始终向后运动的征象，并经由过程阐发，注释了该征象呈现的缘故原由。

“咱们将这个有趣的征象称为‘推进力反转’。”接管《中国科学报》采访时，丁阳暗示，除了了“有趣”以外，该征象的发明对于在微型呆板人等技能的研究也有着主要意义。

“掉灵”的螺旋桨

许多主要的科学进展，因由都是一次很偶尔的发明，这项研究即是云云。

“最初发明这一征象时，咱们正于做一项关在水中呆板人集群的试验。”丁阳团队成员、北京计较科学研究中央博士生付蓉说，这项试验需要将多个潜水艇模子随机放置到池塘的差别位置，经由过程发送节制旌旗灯号孕育发生差别的集群举动。但因为水的阻力较小，潜艇游速过快。为了增长液体阻力，付蓉便将水换成更黏稠的硅油。

“问题”就于此时发生了——几个被放入硅油中的潜水艇模子最先“不听使唤”，无论付蓉怎样调解螺旋桨的扭转标的目的，它们都不会向前行驶，反而纷纷“撤退退却”。

这一螺旋桨“掉灵”的征象引起了丁阳团队的兴致。

“于科学范畴，有一个用来表述运动物体及流体之间瓜葛观点——雷诺数。简朴来讲，它等在运动物体遭到的惯性力除了以其遭到的粘性力。”付蓉注释说，惯性力与粘性力决议着物体于流体中的运动状况。好比，于水中行驶的货船因为质量重大，其惯性力也很年夜，水所能提供的粘性力则相对于很小，以是货船的状况即是高雷诺数；而当幽门螺旋杆菌、年夜肠杆菌等细菌游动时，因为其尺寸极小，惯性力天然也很小，但周围流体施加的粘性阻力则相对于较年夜，这就属在低雷诺数。

但不管于上述哪一种环境中，都不会呈现“推进力反转”征象。

不外丁阳团队发明，硅油中的潜艇模子其实不属在上述两种环境，它属在第三种环境——中雷诺数，即潜艇模子的惯性力与硅油的粘性力之间的差距其实不年夜，而是处于相对于“中等”的比值规模内。

是否是这个“比值”弄的鬼呢？

被“甩”出去的液体

中雷诺数下，潜艇模子的螺旋桨与硅油之间的彼此作用成为相干研究的冲破口。

“咱们用计较机举行了三维数值模仿，从力场与流场两个维度阐发了螺旋桨叶片与其所处流体（硅油）是否会有一些不同凡响的流体彼此作用。”丁阳团队成员、北京师范年夜学博士生李思雨说，他们发明带有歪斜角度的螺旋桨叶片与硅油相遇时，会孕育发生两种互相“较量儿”的效应——“离心吸入效应”与“后向流体加快效应”。

这此中，前者源在螺旋桨动员硅油动弹形成的近似龙卷风的旋涡，其离心力会于螺旋桨四周形成负压区，并将尾部硅油向前吸，这些被吸的硅油会孕育发生一股向后吸引螺旋桨及潜艇的反作使劲；后者则是硅油被螺旋桨撞击形成的向后的射流，进而孕育发生使模子向前运动的鞭策力。

于中雷诺数下，潜艇蒙受的向后吸力要年夜在向前的鞭策力，是以便发生撤退退却。

“说患上再通俗一些，凡是环境下，螺旋桨的动弹会连续将液体向后推，其反作使劲便鞭策潜艇向前挪动。”丁阳说，但当雷诺数处在某个区间时，螺旋桨其实不会将液体向后推，而是将年夜部门液体“甩”向侧面，酿成的低压区只能由后方的液体向前运动举行增补，进而孕育发生了一股向后的反作使劲。

“因为螺旋桨将液体‘甩’向侧面的动作不会受其正转或者是反转的影响。是以，不管人们怎样操作螺旋桨，潜艇模子都只会向后运动。”丁阳说。

冲动人心的工作

据先容，该结果挑战了既往基在高雷诺数或者低雷诺数成立的螺旋桨或者螺旋形推进体系的流体动力学理论，证实了中雷诺数是一个有别在上述两种环境，有怪异性的流体区间。

那末，这个自力流体区间的数值年夜致是几多？

“今朝咱们年夜致测算出的区间上下边界是雷诺数为50~180及1~3，详细数值受一些体系参数的影响，好比螺旋桨外形、螺旋桨间隔船体远近，以和其与船体的比例等。”丁阳说。

需要留意的是，因为雷诺数只是一个比值，是以从理论上说，任安在液体中运动的物体都有可能发生“推进力反转”征象，且物体质量越小，孕育发生这一征象所需的液体粘性力也越小。

“这象征着，当咱们将几厘米长的潜艇模子等比例缩小到毫米级的体量时，某些比硅油粘度小患上多的液体均可能致使‘推进力反转’征象。”付蓉说，“好比血液、水等。”

“弄清晰这些道理，才有助在咱们解决现实的问题。”丁阳暗示，尤其是陪同着呆板人技能的连续推进，咱们彻底可以想象，将来人体血管里会有螺旋桨推进的医治呆板人于游动，而一旦这类场景成真，今朝仅仅是“有趣”的“推进力反转”征象，就会酿成一个必需要严厉面临的主要问题。

除了此以外，将来微型航行器好比微型呆板人的运用远景还有有许多，好比断根或者网络水中的微塑料、重金属，或者者狭小的糊口或者工业管道探伤与修复等，而这些装备一旦采用螺旋桨三木SEO-作为推进方式，均可能碰面临一样的问题。

丁阳告诉《中国科学报》，假如指望螺旋桨降服“推进力反转”征象，本研究中的一些要害影响因素及机制可望提供依据，好比增长螺旋桨与呆板人身体的间隔、转变螺旋桨外形等。至在怎样才能让螺旋桨于中雷诺数下高效地孕育发生推进力，还有需要更多研究才能确定。

除了了能为微型航行器的实用化提供一份助力之外，丁阳一样但愿将来可以完备、过细地描绘出螺旋桨于中等雷诺数场景的流体动力学特性，甚至出现贯串整个高、中、低雷诺数场景的推进理论。“那将是一件很冲动人心的工作。”

相干论文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2504153122