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7月14日，上海交大船建学院田新亮副教授研究小组在国际顶级物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters, PRL）上发表了题为“Shape deformation and drag variation of a coupled rigid-flexible system in a flowing soap film”（流动皂膜中一种刚-柔耦合系统的形状与阻力变化）的最新研究成果，首次提出一种全新减阻方法——“软尾减阻”，并通过精巧的实验进行证实。该工作获得“编辑推荐”（Editors‘ Suggestion）作为亮点论文（Highlights）在PRL期刊主页进行特别介绍，并被选为本期PRL封面论文（Cover image for Vol. 125, Iss. 3）（图1）。
图1 《物理评论快报》第125卷，第3期封面 鸢飞戾天，鱼跃于渊，动物们通过进化躯体结构、扭动身姿得以在大自然遨游；草木“从风而靡”以减小风阻，避其锋芒而后起。如何有效减小运动物体所受流体阻力是一个经典的物理问题，也是对流体工程装备性能的重要考量。为了实现减阻、增速、节能之目的，人们把车辆设计成流线外形，为船舶加装了球鼻艏，在高尔夫球表面添加了许多凹坑……那么，是否有其他不改变物体自身结构，就能有效减小流体阻力的方法呢？多年前，田新亮博士在研究薄板流动问题时，看到随风飘动的裙摆（图2），萌生了给钝体“穿上披风”来减阻的奇想，即“软尾减阻”。如今，这个看似异想天开的想法正在逐渐成为现实。
图2 随风飘动的裙摆（Regine Relang摄于1942年） 2018年4月起，田新亮研究小组采用实验方法逐步证实了“软尾减阻”猜想，并建立理论模型深入探讨其背后的物理机制。首先，他们搭建了竖直流动肥皂膜实验系统“SJTU-FILM”，实现了对准二维流场的稳定模拟；然后，在尝试了多种柔性材料后，成功构造了“刚性平板-柔性细丝”耦合系统并将其置入“SJTU-FILM”中，形象地模拟了“穿着披风”的钝体在流场中运动的场景。为了确保获得高质量的实验数据，他们还自行研制了精度高达0.01毫克的测力装置，发明了连续调节柔性细丝长度的方法，成功实现了在不中断肥皂膜流动条件下的连续稳定测量（图3）。
图3 （a）“SJTU-FILM”示意图和（b-d）不同长度细丝在皂膜中的形状 研究表明，给一个平板“穿上”其2.3倍长度的“披风”，减阻效果最高可达10%（图4）。研究小组还惊喜地发现，类似的减阻现象稳定存在于较宽的流速范围内，且对细丝的刚度不太敏感。需要指出的是，该研究依然只是揭开了“软尾减阻”这一新型流固耦合问题的冰山一角，期待在不久的将来，有更详细深入的理论和数值研究来揭示其深层次的物理机制，直至实现工程应用。或许有一天，我们真的会看到身着宽松衣服奔跑的运动员，或者穿着“披风”深潜的“蛟龙号”!
图4 不同刚度的细丝在不同长度下的减阻效果（流速为1.45米每秒）。 该研究由田新亮副教授带领三名硕士研究生独立完成，上海交通大学为唯一署名单位。论文第一作者高颂已毕业，目前于美国西北大学攻读博士学位；第二作者潘松和第三作者王怀成均为硕士二年级研究生；最后作者和通讯作者为田新亮。该研究受到上海市自然科学基金（19ZR1426300）和国家自然科学基金重点项目（11632011）资助。 全文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.034502 |
