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科学家在一系列特别设计的实验中研究了粘弹性流体的奇怪行为

导读粘弹性流体无处不在,无论是通过你的静脉,还是通过阿拉斯加石油管道的1300公里长的管道。与牛顿流体(如油或水)不同,粘弹性流体像唾液的粘

粘弹性流体无处不在,无论是通过你的静脉,还是通过阿拉斯加石油管道的1300公里长的管道。与牛顿流体(如油或水)不同,粘弹性流体像唾液的粘性链一样伸展。流体中的分子链赋予它们超能力,科学家们仍在努力了解它如何影响它们的行为。冲绳科学技术研究生院(OIST)的研究人员通过展示粘弹性流体如何在波状表面上流动,让我们向前迈进了一步,结果出乎意料。“对我来说,这不是直觉。我已经使用这些液体将近20年了,”微生物学/纳米流体部门的负责人、这项研究的第一作者西蒙哈沃德说。本文于2018年11月5日发表在《流体物理学》上,这是三项研究中的第三项,将粘弹性流体的新理论付诸实践。

惊人的消失。

当水流过光滑的管道时,它的运动总是均匀的。然而,当水接触到波浪表面时,它会像波浪上的潮汐一样破裂。水对破碎波的每一个波峰和波谷都有反应,并被抛入漩涡中,这被称为漩涡。被称为涡度的旋转运动在波状壁附近最为明显,并在可计算的距离处消散。科学家们已经在水和其他牛顿流体中无数次目睹了这种情况。但在此之前,从未在粘弹性流体中进行过类似的实验,预计粘弹性流体的性能会有很大的不同。OIST的研究人员着手填补文献中的这一空白。

最近的理论研究表明,波浪使粘弹性流体像牛顿流体一样旋转,但有一个关键的区别。虽然牛顿流体中诱导的涡旋运动随距离衰减,但粘弹性流体中的涡旋实际上可以在特定距离处被放大。这个放大区域理论上称为“关键层”,但还没有通过实验观察到。“这个关键层的位置取决于流体的弹性,”霍华德说。他说,一种流体包含的分子链或聚合物越多,它就变得越有弹性。流体的弹性越大,临界层离波形壁越远。当流体弹性如此之大,临界层如此之远,壁面附近的螺旋涡不再受其影响时,就会出现这种情况。“一般来说,我们认为如果液体的粘弹性更强,你会看到更多奇怪的效果,”霍华德说。"但在这种情况下,当流体具有高弹性时,可观察到的效应将消失."

填补知识上的重大空白。

在过去的研究中,微/生物/纳米流体单元设计了实验和特殊设备来捕获这些关键层。他们的努力导致了这一现象的第一个实验证据。现在,研究人员已经构建了一个详细的图表,描述了当通道变宽、波长延长或流体速度增加时,临界层是如何移动的。哈瓦尔说:“这令人惊讶,因为这个理论似乎违反直觉,但我们的实验结果与理论预测完全相同。“基本上,我们的实验完全证实了这个理论。”综合研究为粘弹性流体的未来研究奠定了坚实的起点。这些弹性流体的基本特性对石油工业、医学和生物技术有直接影响,并有助于塑造我们周围的世界。通过这项研究,科学家现在可以开始在他们的计算中包括关键层,这可能有助于改进粘弹性流体在他们研究中的应用或找到新的方法。

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