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前言
“三传一反是化学反应工程学的基础。传递过程被认为是单元操作的理论基础，开辟了化学工程发展过程的第二个历程。其中，“三传”为动量传递（流体输送、过滤、沉降、固体流态化等，遵循流体动力学基本规律）、热量传递（加热、冷却、蒸发、冷凝等，遵循热量传递基本规律）和质量传递（蒸馏、吸收、萃取、干燥等，遵循质量传递基本规律），“一反”为化学反应过程。今天给大家介绍的这篇Nature就是针对流体输送这一经典问题。
第一作者：D. Scarselli
通讯作者：B. Hof
通讯单位：奥地利科技学院
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06399-5
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背景介绍
实际上，流经管道和通道的水流几乎总是湍流的，多尺度涡流运动是造成摩擦损失和泵送成本的主要原因。相反，对于脉动流，尤其是主动脉血流，尽管峰值速度相对较大，但湍流程度仍然很低。对于生物主动脉血流来说，高湍流水平是不可接受的，因为它会损坏对剪切力敏感的内皮细胞层。
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本文亮点
本研究展示了以脉冲模式流动血流，并结合心脏波形的所有关键特征，最终导致普通管道血流中的湍流被削弱。在雷诺数与主动脉血流的雷诺数相当时，湍流在很大程度上被抑制，而在更高的速度下，湍流阻力减少了 25% 以上。这种特定的运行模式与稳定流动相比效率更高，而稳定流动是目前几乎所有流体传输过程的情况，从加热回路到水、天然气和石油管道。
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图文解析
图1|主动脉流中的湍流衰减
要点：
1.本研究提出了湍流控制的新方法，即通过非稳定的脉冲流动来减少阻力，特别是模拟心动周期，并将这种方法扩展到大雷诺数。本研究的实验在一根 1.2 米长的管道（内径 D = 10 毫米）中进行，活塞流动水流通过实验装置。活塞的速度由伺服电机精确控制，使我们能够改变流速，特别是实现所需波形的脉动水流。
2.最初的实验是在中等雷诺数（与主动脉血流的雷诺数相当）下进行的。本研究在相同的瞬时雷诺数（Re = UmD/ν，其中 Um 是管道中的瞬时流速，ν 是运动粘度）下比较了同一管道中的三种流动：
①在第一种情况下，流体在 Re = 2,800 时被稳定流动（图 1a），流体运动自始至终都是湍流。
②在第二种情况中，使用报告的人体主动脉降段心血管流动波形（图 1d）周期性地流动气流，选择的峰值接近文献中报告的最大值。虽然管道设置未变（包括入口条件），但尽管瞬时雷诺数大于 5000，流动仍为完全层流（图 1b）。
③在第三种情况下，测试了去掉舒张静息阶段的循环（图 1e）。与心血管情况（图 1d）相比，本研究的方法可将峰值速度缩小了 1.5 倍，从而使两个循环的平均雷诺数保持相当。在这种情况下（图 1c），气流总体上仍然是湍流，这暗示了舒张静息阶段与湍流抑制的相关性。
图2|脉动流中的摩擦减少以及三种不同循环对壁面剪切应力的影响
要点：
1.在最初的实验和模拟中，本研究测试了由一系列线性流速斜坡组成的循环，这些斜坡平滑地连接在一起，对应的雷诺数在 Remin = 3,200 和 Remax= 18,800 之间摆动，周期 T = 4.5 秒（图 2a）。请注意，在本研究的管道设置中，对于稳定的流动而言，Re = 3,200 时的水流是完全湍流的。
2.通过测量压降 Δp(t)和施加的体积速度 Um(t)，可以利用公式 (1) 确定壁面剪应力。为了便于比较不同的循环，τw 通过循环最小值处的动态压力进行非尺寸化，对应于 (0.5ρU2min)，其中 Umin 是 Re = 3,200 时的体积速度。本研究定义 τ∗=2τw/(ρU2min)并在图 2d 中将瞬时实验值（蓝色圆圈）与准稳态参考情况 τ∗qs（黑线）进行比较，即如果湍流瞬时适应雷诺数的变化，预计的壁面剪切应力。在每个循环开始时，τ* 虽然很低，但比τ∗qs大得多。只有当气流加速时，测量值才会最终低于τ∗qs，这与之前观察到的气流加速时阻力减小的情况一致。
3.虽然瞬时壁面剪应力值表明与准稳定情况下的阻力相比，阻力总体上有所减小，但这并不一定表明与平均雷诺数相同的稳定流相比，阻力有所减小。相对于稳定流的阻力变化为
对于图 2a 所示的循环，实验中的阻力比稳定流大 4.4% (R = -0.044)。本研究注意到，准稳定情况下 平均 τ∗qs的阻力通常比实际稳定流动的阻力大得多。在本例中，与 τ∗steady相比，阻力增加了 14%。因此，脉动并不一定能减少阻力，更不用说节能了。
4.受主动脉气流中的舒张阶段和心脏波形中的过渡延迟的启发，本研究设计了一个新的循环，其中插入了一个雷诺数恒定的区域（静止阶段），有效地将减速与连续的加速阶段分离开来（图 2b）。值得注意的是，在加速和部分减速阶段，气流的 τ* 值明显降低（图 2e）。τ*的峰值降低了 2 倍，在这种情况下，本研究得到了 23% 的净阻力降低（R = 0.23）。
静止阶段的核心作用可以理解如下：在加速过程中，湍流最初处于冻结状态，也就是说，平均速度的变化对湍流应力的影响很小，从而导致阻力显著降低。阻力减小的程度取决于加速阶段开始时的湍流水平。相比之下，在减速过程中，速度曲线会出现一个拐点，导致湍流水平通常超过瞬时雷诺数的预期水平，尤其是在这一阶段结束时。随后的静止阶段可使湍流水平减弱，并为下一个加速阶段创造有利的初始条件。
图3|优化节能效果
要点：
1.本研究还关注了改变加速和静止阶段对减少阻力和节省功率的影响。本研究进行了225 次实验，跨越不同的静止阶段和加速持续时间（分别用 Tr 和 Ta 表示），同时保持最小和最大雷诺数以及加速和减速阶段的综合持续时间（T = 0.024 × ν/D2）不变。由此产生的功率节省图 S 如图 3a 所示。
2.在图 3a 中，白色虚线分隔了正负 S 值区域，图 2a-c 中的周期分别用圆形、方形和星形表示。加速时间越短，节能效果越好，这表明短暂、剧烈的加速和较长、平缓的减速非常重要。具体来说，本研究发现加速阶段必须比流动的粘性时间尺度短得多（≲1%），才能达到节能的目的。这种突然的变化阻碍了将流动剖面调整为（高阻力）准稳态形状。
3.同样的参数空间可以映射到通常的 f-Re 平面，其中 f=2DΔp/(ρU2L) 是达西摩擦因数（图 3b），以突出循环对阻力减小 R 的影响以及对平均Re 的依赖。为了进行比较，本研究绘制了湍流摩擦的 Blasius 关系图。当 平均Re≈8,600 时，f 的减小幅度最大（阻力减小 27%），并且接近 S 的最大值区域。
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总结与展望
循环系统能够将大大超过湍流起始值的流速与低剪切应力水平结合起来。足够的流速对机体的正常运行至关重要，而压力水平则必须保持在血管内皮细胞层可承受的范围内。正如本研究所展示的，心动周期的波形接近于实现这两个目标的最佳值。心动周期中的静止阶段对于减小血管壁剪切应力至关重要，同时，静止阶段必须在最佳时间进行，并与随后的快速流动加速相结合，这样不仅能减小流动阻力，还能优化效率并最大限度地降低功耗。流体输送是当今社会最大的能源消耗来源之一，而泵送损耗的很大一部分可归因于湍流。虽然管道流通常以稳定流速运行，但本研究表明，从能源角度来看，稳定流速并不一定是最佳运行模式。
转自：“研之成理”微信公众号
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