最新发现：流体在与固定边界接触时，会发生滑移，气泡随流而行！

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东京大学工业科学研究所的科学家，使用一种复杂的物理模型来模拟流体通过管道的行为。通过研究剪切诱导气泡形成的可能性，发现与许多以前的研究假设相反，流体在与固定边界接触时会经历显著的滑移。这项研究可能有助于减少泵送流体时的能量损失，这在许多工业应用中是一个重要的问题，例如天然气和石油供应商。流体动力学是物理学中最具挑战性的领域之一。


即使有了功能强大的计算机和简化假设的使用，流体流动准确模拟也是出了名的困难。研究人员经常需要预测现实世界应用中的流体行为，例如流经管道的石油。为了使问题更简单，通常的做法是假设在流体和固体边界(在本例中为管壁)之间的界面上，流体流动时不会滑移。然而，一直缺乏支持这一捷径的证据。现在的研究表明，在某些情况下可能会发生滑移，但物理机制依旧是个谜。


现在，为了更严格地了解水流滑移的来源，东京大学研究人员创建了一个先进的数学模型，其中包括溶解气体在管道内表面变成气泡的可能性。液体流动的无滑移边界条件是流体力学中最基本假设之一，然而这种情况没有严格的物理基础，忽略了气泡的影响。为了做到这一点，研究人员将支配流体流动的基本定律Navier-Stokes方程与描述相变(如从液体到气体的变化)的Ginzburg-Landau理论结合起来。


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。这些气泡是由流体中的剪切力产生，在现实生活中往往没有被发现，因为它们依旧非常小。资深作者田中哈吉(Hajime Tanaka)说：我们发现，伴随粘度变化而来的密度变化可能会破坏系统稳定性，导致气泡的形成。剪切诱导的气相形成为流动滑移提供了一个自然的物理解释，其研究成果发表在《科学进展》期刊上。


研究结果可以帮助设计新的管道，以更小的能量损失输送粘性流体，如燃料和润滑油。粘性液体经常在固体壁上表现出流动滑移，流动滑移的发生对液体输运和能量耗散有很大的影响，这在许多应用中都是至关重要的。预计会发生滑移，以减少耗散，这是很自然的。然而壁面的存在是如何影响密度波动，以及如何通过形成气层而发生滑移依旧是难以捉摸。


研究报告了这些基本问题的可能答案：即使在静止状态下，密度波动在壁面附近也会固有地增强，而与壁面的性质无关，以及正是粘度的密度依赖性使系统在剪切流作用下不稳定于气层形成。剪切诱导气相形成方案为液体流动的壁滑移，提供了一个自然的物理解释，涵盖了从微观(纳米)到宏观(微米)尺度的滑移长度。
博科园｜研究/来自：东京大学
参考期刊《科学进展》
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