Physics of Fluids: Угол вытягивания играет важную роль в гидродинамике плавающих сфер

Вдохновленная необходимостью защиты морских животных и продвижения устойчивых решений в морской среде, междисциплинарная группа исследователей из Университета науки и технологии имени короля Абдаллы, Саудовская Аравия, и Софийского университета, Болгария, изучает гидродинамику плавучих объектов на границе раздела воздух-вода.

Их цель — расширить понимание гидродинамики жидкостей и сложных поверхностных взаимодействий, а также способствовать развитию таких областей, как проектирование и эксплуатация морских инженерных систем, систем буев и подводных аппаратов.

В журнале Physics of Fluids издательства AIP группа исследователей представила результаты изучения динамики плавучих сфер (можно сказать, скачущих камней) на границе раздела воздух-вода. Их работа выявила сложную гидродинамику, связанную с формированием горизонтальных воздушных полостей и переходом от плавания к скачку.

Изучение гидродинамики и физики в контексте плавучести включает в себя несколько ключевых принципов: плавучесть, гидродинамика, сопротивление жидкости и число Рейнольдса.

Плавучесть относится к силе, действующей на объект, погруженный в жидкость, а гидродинамика рассматривает движение жидкости и ее взаимодействие с твердыми объектами.

Сопротивление жидкости, или сопротивление, возникает, когда объект, движущийся в жидкости, испытывает сопротивление, обусловленное трением между его поверхностью и жидкостью. Это сопротивление зависит от таких факторов, как форма, размер, скорость объекта и свойства жидкости.

Для дальнейшего анализа поведения жидкости ученые используют безразмерный параметр — число Рейнольдса — для определения типа течения вокруг объекта.

Один из ключевых выводов команды состоит в том, что по мере увеличения силы притяжения и скорости движения сфер их поведение становится более неравномерным.

Сферы демонстрируют колебательные движения, погружаясь в воду, поднимаясь к поверхности воды и пробивая ее, а также прикрепляясь к подводным воздушным полостям в горизонтальном направлении, — сообщил соавтор Фаррух Камолиддинов из KAUST.

Также выяснмилось, что увеличение угла вытягивания приводит к разной длине воздушных полостей, увеличению расстояния между ними и более раннему выходу из воды — это означает, что угол вытягивания играет важную роль в формировании гидродинамики плавучих сфер.

При этом полость сохраняет устойчивое горизонтальное движение с постоянной скоростью на определенном расстоянии. Формирование воздушной полости имеет ярко выраженные особенности, включая форму перевернутого крыла и турбулентный след за ним. Это устойчивое и контролируемое горизонтальное движение полости позволяет понять сложную гидродинамику и открывает путь к дальнейшим исследованиям и приложениям.

Понимание динамики плавучей сферы и формирования полости может вдохновить на новые разработки и инновации в областях, выходящих за рамки морской техники, — сказал Камолиддинов.

Оно может привести к созданию новых движителей, стратегий снижения сопротивления, жидкостных движителей и жидкостных устройств, использующих свойства плавучих сфер.

11.07.2023