为什么有些流体的流动速度,比预期的要快?

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为什么有些流体的流动速度,比预期的要快?

无论是石油通过管道喷涌而出,还是血液通过动脉循环,液体如何通过管道流动可能是流体动力学中最基本的问题。所面临的挑战是最大限度地提高运输效率,最大限度地减少移动液体与固定管表面摩擦所造成的能量损失。与直觉相反,在液体中加入少量大的、缓慢移动的聚合物,从而形成一种“复杂液体”,会促使更快、更有效的运输。据推测,这一现象是由于在管内壁周围形成了一层薄层,称为耗尽层或分裂层,其中聚合物浓度明显低于本体溶液。

然而,由于这一层的固有厚度只有几纳米厚,按照聚合物的大小顺序,直接进行实验观察很困难,因此该领域的进展严重依赖于体积测量和计算机模拟。基础科学研究所(IBS)软物质和生命物质中心的研究人员,通过成功地成像流经微通道聚合物溶液中的耗尽层,在该领域取得了重大进展。其研究研究发表在《美国国家科学院院刊》上,依靠一种新型超分辨率显微镜技术的发展,研究人员得以以前所未有的空间 分辨率观察这一层。

对这一现象的首次观察是在近一个世纪前,对高分子量聚合物溶液实验研究揭示了一个令人困惑的现象:聚合物溶液测量粘度与流经狭窄管道的速度之间存在明显差异。聚合物溶液的流动速度总是比预期要快。此外,管越窄,这种差异越大,这引起了人们的兴趣,这种兴趣一直持续到今天。发现耗尽层动力学是一个非常有趣的问题,但要用现有实验技术取得进展是很有挑战性的,第一步需要开发一种能够提供新信息的技术。

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