科技日報記者 張蓋倫

螺旋槳正轉(zhuǎn)，推動物體前進(jìn)；螺旋槳反轉(zhuǎn)，使得物體后退，但這種“常識”被一次意外發(fā)現(xiàn)推翻。近日，北京郵電大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院丁陽教授團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了一種螺旋槳失靈現(xiàn)象，在特定情況下，無論螺旋槳是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，物體都會后退。團(tuán)隊(duì)將這種現(xiàn)象稱為 “推進(jìn)力反轉(zhuǎn)”，相關(guān)論文刊發(fā)在最新一期《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上，已于北京時間10月3日上線。

論文第一作者、北京計(jì)算科學(xué)研究中心博士生付蓉告訴科技日報記者，三年前，在用一種潛艇玩具做實(shí)驗(yàn)時，她驚訝地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將潛艇置于硅油中時，無論潛艇上的螺旋槳怎么轉(zhuǎn)，玩具都會在硅油中后退。研究了多年流體力學(xué)的丁陽敏銳意識到，這一現(xiàn)象值得進(jìn)一步探究。歷經(jīng)多輪實(shí)驗(yàn)并完成三維數(shù)值模擬后，團(tuán)隊(duì)確認(rèn)，這是雷諾數(shù)在“作怪”。

雷諾數(shù)指的是游動體在流體中游動時所感受到的慣性力和粘性力的比值，它受流體性質(zhì)與游動體尺寸的共同影響。像船這樣的大型物體在水里運(yùn)動時慣性力更大，此時處于高雷諾數(shù)情境；而微小的細(xì)菌在血液游動時粘性力成為主導(dǎo)，此時處于低雷諾數(shù)情境。實(shí)驗(yàn)中，微型潛艇在硅油中行進(jìn)，則恰好處于中等雷諾數(shù)區(qū)間。實(shí)際上，科學(xué)界對這一區(qū)間中螺旋槳或螺旋形推進(jìn)的流體動力學(xué)描繪尚是空白。

團(tuán)隊(duì)通過三維數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)的螺旋槳帶動有傾斜角度的葉片與硅油相遇時，產(chǎn)生了兩種互相“較勁”的效應(yīng)——“離心吸入效應(yīng)”與“后向流體加速效應(yīng)”。前者指的是旋轉(zhuǎn)的螺旋槳帶動硅油轉(zhuǎn)動，在螺旋槳附近形成負(fù)壓區(qū)，這一負(fù)壓區(qū)使得螺旋槳主要將尾部的硅油向前吸，形成向后吸引螺旋槳和潛艇的反作用力。后者指的是硅油被有角度的螺旋槳撞擊形成一股向后的射流，產(chǎn)生一種沿著螺旋槳軸方向向前的升力，推動潛艇向前行進(jìn)。在中等雷諾數(shù)情境下，潛艇和螺旋槳承受向后的吸力會大于向前的升力，所以無論螺旋槳怎么轉(zhuǎn)，潛艇都會后退。

丁陽介紹，近年來，材料科學(xué)、微納制造等關(guān)鍵支撐技術(shù)取得突破性進(jìn)展，推動了微型航行器如微型機(jī)器人的跨越式發(fā)展。許多曾經(jīng)無法想見的中等雷諾數(shù)情境，現(xiàn)在已頻繁出現(xiàn)。其研究提示，在對微型航行器進(jìn)行設(shè)計(jì)時，需要考慮雷諾數(shù)的影響，從而規(guī)避或者利用這種“推進(jìn)力反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

目前，丁陽正在研究如何讓螺旋槳在中等雷諾數(shù)情境下高效產(chǎn)生推進(jìn)力，并深入探討螺旋槳在中等雷諾數(shù)場景中的流體動力學(xué)特征，期望在跨學(xué)科合作中解決更多實(shí)際問題。

（圖片由受訪者提供）