复杂的流体力学理论或可解释轮胎在湿滑路面上的运动现象

近日,来自 CNRS、里昂大学、以及米其林集团的一支科学家团队,在 AIP Publishing 旗下的《流体物理学》期刊上发表了他们的最新研究。据悉,当车辆在潮湿或积水的路面上驶过时,水会在论坛前部积聚产生升力。如果这一作用力变得相当大,足以将车辆抬离地面,就产生了一种被称作“滑水”(Hydroplaning)的现象。

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(图自:Serge Simoëns)

对于轮胎和汽车制造商来说,显然需要通过精心设计的胎面纹路,在通过轮胎前部排水的同时、不至于降低其在路面上的附着力。

遗憾的是,此前一直鲜有这种定量的实验研究。好消息是,借助激光成像技术,研究团队在其搭建的实验室环境中展开了深入测试。

如上图所示,微小的荧光颗粒被用于描绘水与轮胎接触时的激光照射,以便将水流经轮胎前部和通过沟槽时的现象进行可视化分析。

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研究配图 – 2:不同纹路的胎面示意

作为对比,此前发表的轮胎胎面定量速度测量工作,只是借助高速摄像机、并用米粒作为水的示踪剂来完成的。

在将轨道布置于透明玻璃上方的区域、然后用水浸没之后,高速相机可观察轮胎的大致运动。

然而这么做的缺点是精度不高、且对比度较差,因为种子的直径约 1.5 毫米,所以无法将凹槽内的速度信息用于流体分析。

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研究配图 – 1:单个 / 立体相机照射方案

为了克服传统方案的精度问题,研究团队开发了一套更加复杂的解决方案。其中包括使用荧光颗粒、并使用一片激光来照亮该区域,以实现可视化的流体观察。

据悉,荧光颗粒的直径仅为 35 微米,约为人类发丝的一半,且密度接近于水。

研究作者 Damien Cabut 表示,凹槽内部水流的第一个显著特征,是存在白色的细丝或水柱,表明此现象中可能存在气相、气泡或空化。

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研究配图 – 3:存在于夏季胎凹槽中的气泡柱示意图

研究人员指出,由于凹槽中混杂了液态和气态两相,使得分析变得更加复杂,此外他们在某些凹槽中发现了涡流和气泡。

研究作者称,凹槽内的漩涡数,或与纹路的开槽宽度 / 高度的比率有关。

Damien Cabut 补充道:“一种涡流的产生机制,或与胎面尖锐边缘周围的流动相关,其效果类似于在气动升力中观察到的三角翼现象”

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研究配图 – 22:挤压效应 / A 槽中形成的第二涡流

研究发现,当距离和速度适当增加时,凹槽中的流动结构与车速的提升是相对的,意味着可能对“滑水”产生影响。

不过想要了解涡旋的形成、以及气泡在凹槽中的作用,仍需要在当前基础上开展进一步的研究。有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的 AIP《Physics of Fluids》期刊上。

原标题为《Analysis of the water flow inside tire grooves of a rolling car using refraction particle image velocimetry》。

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