气泡随流动而动-模拟流体在管道中流动的行为

时间:2020-03-30 21:04 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

气泡随流动而动-模拟流体在管道中流动的行为

东京大学工业科学研究所的研究人员使用了一种复杂的物理模型来模拟流体在管道中流动的行为。通过考虑剪切诱导气泡形成的可能性,他们发现,与之前许多工作的假设相反,流体在接触固定边界时可能发生显著的滑移。这项研究可能有助于减少抽水时的能量损失,这在许多工业应用中是一个重要的问题,如天然气和石油供应商。

流体力学是物理学中最具挑战性的领域之一。即使有强大的计算机和简化的假设,精确的流体流动模拟也很难得到。研究人员通常需要预测流体在实际应用中的行为,比如石油流经管道。为了使问题更简单,通常的做法是假定在流体和固体边界之间的界面处——在这种情况下,管道壁——流体流动而不滑动。然而,支持这一捷径的证据一直缺乏。最近的研究表明,在某些情况下会发生滑移,但其物理机制仍是一个谜。

现在,为了更严格地理解流动滑移的起源,东京大学(University of Tokyo)的研究人员创建了一个高级数学模型,其中包括溶解气体在管道内表面变成气泡的可能性。

“液体流动的无滑动边界条件是流体力学中最基本的假设之一,”第一作者Yuji Kurotani解释说。“然而,这种情况没有严格的物理基础,忽略了气泡的影响。”

为此,研究人员将纳维-斯托克斯方程(控制流体流动的基本定律)与金兹堡-朗道理论(描述从液体到气体的相变)相结合。模拟结果表明,流动滑移可能是由管壁上形成的微小气泡引起的。这些气泡是由流体中的剪切力产生的,在现实生活中往往无法探测到,因为它们仍然很小。

“我们发现,伴随粘度变化的密度变化会使系统不稳定,从而导致气泡的形成。剪切诱导气相的形成为流动滑移提供了一种自然的物理解释,”资深作者田中hajime说。

黑田东彦说:“我们项目的成果可以帮助设计新的输送粘性流体的管道,比如燃料和润滑油,这样可以大大减少能量损失。”

这项研究成果发表在《科学进展》杂志上,被称为“液体在固体表面流动滑移的一种新的物理机制”。

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