中国科学家首次发现“推进力反转”现象

中国科学家首次发现“推进力反转”现象

　　科技日报记者 张盖伦

　　螺旋桨正转，推动物体前进；螺旋桨反转，使得物体后退，但这种“常识”被一次意外发现推翻。近日，北京邮电大学物理科学与技术学院丁阳教授团队首次发现了一种螺旋桨失灵现象，在特定情况下，无论螺旋桨是正转还是反转，物体都会后退。团队将这种现象称为 “推进力反转”，相关论文刊发在最新一期《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，已于北京时间10月3日上线。

　　论文第一作者、北京计算科学研究中心博士生付蓉告诉科技日报记者，三年前，在用一种潜艇玩具做实验时，她惊讶地发现，当将潜艇置于硅油中时，无论潜艇上的螺旋桨怎么转，玩具都会在硅油中后退。研究了多年流体力学的丁阳敏锐意识到，这一现象值得进一步探究。历经多轮实验并完成三维数值模拟后，团队确认，这是雷诺数在“作怪”。

　　雷诺数指的是游动体在流体中游动时所感受到的惯性力和粘性力的比值，它受流体性质与游动体尺寸的共同影响。像船这样的大型物体在水里运动时惯性力更大，此时处于高雷诺数情境；而微小的细菌在血液游动时粘性力成为主导，此时处于低雷诺数情境。实验中，微型潜艇在硅油中行进，则恰好处于中等雷诺数区间。实际上，科学界对这一区间中螺旋桨或螺旋形推进的流体动力学描绘尚是空白。

　　团队通过三维数值模拟发现，旋转的螺旋桨带动有倾斜角度的叶片与硅油相遇时，产生了两种互相“较劲”的效应——“离心吸入效应”与“后向流体加速效应”。前者指的是旋转的螺旋桨带动硅油转动，在螺旋桨附近形成负压区，这一负压区使得螺旋桨主要将尾部的硅油向前吸，形成向后吸引螺旋桨和潜艇的反作用力。后者指的是硅油被有角度的螺旋桨撞击形成一股向后的射流，产生一种沿着螺旋桨轴方向向前的升力，推动潜艇向前行进。在中等雷诺数情境下，潜艇和螺旋桨承受向后的吸力会大于向前的升力，所以无论螺旋桨怎么转，潜艇都会后退。

　　研究团队

　　丁阳介绍，近年来，材料科学、微纳制造等关键支撑技术取得突破性进展，推动了微型航行器如微型机器人的跨越式发展。许多曾经无法想见的中等雷诺数情境，现在已频繁出现。其研究提示，在对微型航行器进行设计时，需要考虑雷诺数的影响，从而规避或者利用这种“推进力反转”现象。

　　目前，丁阳正在研究如何让螺旋桨在中等雷诺数情境下高效产生推进力，并深入探讨螺旋桨在中等雷诺数场景中的流体动力学特征，期望在跨学科合作中解决更多实际问题。