研究人员正在探索空气-水界面浮力物体的流体动力学，以增强我们对流体动力学的理解。他们的研究揭示了复杂流体动力学的关键见解，这些发现可能会彻底改变各个领域，尤其是海洋工程。
研究人员揭示了浮力球体的动力学和地平线的形成空气-水界面的内部气腔。
出于保护海洋动物和促进海洋环境可持续解决方案的需要，来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)和保加利亚索非亚大学的一个跨学科研究小组正在深入研究空气-水界面浮力物体的流体动力学。
通过研究这些动力学，他们的目标是扩大对流体动力学和复杂表面相互作用的理解，并推进海洋工程系统、浮标系统和水下航行器的设计和性能等领域。
检查空气-水界面的浮力球体
在aiP出版的《流体物理学》中，该团队展示了一项关于空气-水界面浮力球体(想想跳跃的石头)动力学的研究。他们的工作揭示了复杂的流体动力学涉及到水平空腔的形成以及漂浮和跳跃之间的转变。
该团队的一个视频快照，显示了一个稳定移动的水平球体与附加的空腔形成。Credit: Farrukh Kamoliddinov, Ivan U. Vakarelski, Sigurdur T. Thoroddsen和Tadd T. Truscott
理解浮力原理
在浮力的背景下，流体学和物理学的研究涉及几个关键原理:浮力、流体动力学、流体阻力和雷诺数。
浮力指的是浸没在流体中的物体所受到的向上的力，而流体力学关注的是流体的运动及其与固体物体的相互作用。
流体阻力和雷诺数
当物体在流体中移动时，由于物体表面与流体之间的摩擦而产生阻力时，就会产生流体阻力或阻力。这种阻力取决于物体的形状、大小、速度和流体特性等因素。
为了进一步分析流体行为，科学家们使用无量纲参数，即雷诺数，来确定物体周围流动的类型。
研究的结果和发现
该团队的主要发现之一是，随着球体拉力和速度的增加，它们的行为变得更加不规则。“这些球体表现出振荡运动，潜入水中，上升并刺穿水面，并以水平方向附着在水下的空气腔中，”KAUST的合著者Farrukh Kamoliddinov说。
他们还发现，更大的拉角会导致不同的空腔长度、更大的跳跃距离和更早的水出口行为——这意味着拉角在形成浮力球体的流体动力学中起着重要作用。
影响及未来应用
空腔在一定距离内以恒定速度保持稳定的水平运动。空腔的形成表现出明显的特征，包括倒翼形状和后面的湍流尾迹。这种稳定可控的空腔水平运动提供了对复杂流体动力学的深入了解，并为进一步的探索和应用打开了大门。
Kamoliddinov说:“了解浮力球动力学和空腔形成可以激发海洋工程以外领域的新设计和创新。”“这可能会导致新的新型推进系统、减阻策略、流体推进系统和利用浮力球体特性的流体装置。”
参考文献:《水下跳跃:空气-水界面的浮力球流体动力学》，作者:Farrukh Kamoliddinov、Ivan U. Vakarelski、Sigurdur T. Thoroddsen和Tadd T. Truscott, 2024年7月11日，流体物理学。DOI: 10.1063/5.0153610
