東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所的科學(xué)家，使用一種復(fù)雜的物理模型來模擬流體通過管道的行為。通過研究剪切誘導(dǎo)氣泡形成的可能性，發(fā)現(xiàn)與許多以前的研究假設(shè)相反，流體在與固定邊界接觸時(shí)會(huì)經(jīng)歷顯著的滑移。

這項(xiàng)研究可能有助于減少泵送流體時(shí)的能量損失，這在許多工業(yè)應(yīng)用中是一個(gè)重要的問題，例如天然氣和石油供應(yīng)商。流體動(dòng)力學(xué)是物理學(xué)中最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。

即使有了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和簡化假設(shè)的使用，流體流動(dòng)準(zhǔn)確模擬也是出了名的困難。研究人員經(jīng)常需要預(yù)測現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用中的流體行為，例如流經(jīng)管道的石油。為了使問題更簡單，通常的做法是假設(shè)在流體和固體邊界(在本例中為管壁)之間的界面上，流體流動(dòng)時(shí)不會(huì)滑移。然而，一直缺乏支持這一捷徑的證據(jù)?，F(xiàn)在的研究表明，在某些情況下可能會(huì)發(fā)生滑移，但物理機(jī)制仍然是個(gè)謎。

現(xiàn)在，為了更嚴(yán)格地了解水流滑移的來源，東京大學(xué)研究人員創(chuàng)建了一個(gè)先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，其中包括溶解氣體在管道內(nèi)表面變成氣泡的可能性。液體流動(dòng)的無滑移邊界條件是流體力學(xué)中最基本假設(shè)之一，然而這種情況沒有嚴(yán)格的物理基礎(chǔ)，忽略了氣泡的影響。為了做到這一點(diǎn)，研究人員將支配流體流動(dòng)的基本定律Navier-Stokes方程與描述相變(如從液體到氣體的變化)的Ginzburg-Landau理論結(jié)合起來。

模擬結(jié)果表明，流動(dòng)滑移可能是由管壁上形成的微小氣泡引起。這些氣泡是由流體中的剪切力產(chǎn)生，在現(xiàn)實(shí)生活中往往沒有被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀环浅Ｐ?。資深作者田中哈吉(Hajime Tanaka)說：我們發(fā)現(xiàn)，伴隨粘度變化而來的密度變化可能會(huì)破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性，導(dǎo)致氣泡的形成。剪切誘導(dǎo)的氣相形成為流動(dòng)滑移提供了一個(gè)自然的物理解釋，其研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。

研究結(jié)果可以幫助設(shè)計(jì)新的管道，以更小的能量損失輸送粘性流體，如燃料和潤滑油。粘性液體經(jīng)常在固體壁上表現(xiàn)出流動(dòng)滑移，流動(dòng)滑移的發(fā)生對(duì)液體輸運(yùn)和能量耗散有很大的影響，這在許多應(yīng)用中都是至關(guān)重要的。預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生滑移，以減少耗散，這是很自然的。然而壁面的存在是如何影響密度波動(dòng)，以及如何通過形成氣層而發(fā)生滑移仍然是難以捉摸。

研究報(bào)告了這些基本問題的可能答案：即使在靜止?fàn)顟B(tài)下，密度波動(dòng)在壁面附近也會(huì)固有地增強(qiáng)，而與壁面的性質(zhì)無關(guān)，以及正是粘度的密度依賴性使系統(tǒng)在剪切流作用下不穩(wěn)定于氣層形成。剪切誘導(dǎo)氣相形成方案為液體流動(dòng)的壁滑移，提供了一個(gè)自然的物理解釋，涵蓋了從微觀(納米)到宏觀(微米)尺度的滑移長度。

博科園｜研究/來自：東京大學(xué)

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

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