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头条焦点:这个简单的动作,你可能一直做错了

时间:2022-08-11 20:49:44       来源:腾讯网

混合两种液体在生活中司空见惯,我们会将牛奶倒入咖啡,将奶油加入烘烤蛋糕,在制造水泥的过程中,也免不了混合搅拌,甚至在追踪地球海洋中的塑料碎片时,了解液体混合的细节都很重要。


(相关资料图)

制作咖啡时,我们有时会用到一种圆形的搅拌器,面点师也会用到各种打蛋器,工业家则会用各种形状的搅拌器,有时还需要许多个。

将两种液体混合,从而创造一种同质溶液,这个看似简单的过程对人类至关重要。但什么才是混合的最佳方法呢?

最近一项新研究表明,我们可能都“搅错了”。

在这项研究中,马克西米兰·埃戈尔(Maximilian Eggl)和彼得·施密德(Peter Schmid)两位科学家希望探索一下,他们是否能找到一种更普遍的方法,有效地混合两种流体。

他们利用超级计算机模拟,发现搅拌器的形状和搅拌速度会影响液体混合的过程。在发表于《物理评论·流体》的论文中,描述了在创建模拟时考虑的因素,以及发现的最有效的策略。

模拟两种液体的混合

研究从一个简单的模拟开始,一个从中分开的圆柱体容器里,其中有两种纯溶液,还有两个搅拌器,每种溶液中一个。模拟显示了当搅拌器围绕圆柱体以恒定速度移动时,两种液体是如何混合的。

模型的初始状态,一个圆柱体容器里有两种溶液,还有两个搅拌器。(图/Eggl, M. & Schmid, P., 2022)

随后,研究人员运行了多个模拟实例,在每次运行前都会改变一个或多个因素,比如加快速度,或者改变搅拌器的路径或形状,都是为了优化混合

使用圆形搅拌器并不能很好地混合两种液体。(图/Eggl, M. & Schmid, P., 2022)

随着模拟一次次运行,他们开始注意到某些因素如何有效地共同作用,混合这两种溶液。一些因素带来的混合效果会比其他一些更好,所谓的更好,指的是当搅拌停止时,液体系统整体更为均匀

比如,在一些模拟中,他们把搅拌器调整成一些非常不规则的形状,让它们看上去就像一个星星魔杖,或者一个长柄铲子。搅拌器形状的改变可能会对结果产生显著的影响。如果让一个搅拌器比另一个搅拌得更快,搅拌结果可能会有所提高。

搅拌器形状改变后的模拟,使用不规则形状的搅拌器比圆形搅拌器能更好地混合两种液体。(图/Eggl, M. & Schmid, P., 2022)

整体而言,边缘平滑的搅拌器比边缘尖锐的搅拌器效果更好,比如把原先“星形魔杖”被“磨”成了犬齿的形状,而长柄铲子变成了一只小蝌蚪,也能获得更好的优化。

当使用形状不规则的搅拌器搅拌时,不均匀的搅拌速度有助于液体混合。(图/Eggl, M. & Schmid, P., 2022)

此外,如果把一个搅拌器放在更高的位置会更好,让搅拌器向相反的方向移动同样有所助益。

当加入抖动时,用有着圆角的搅拌器能更好地混合两种液体。(图/Eggl, M. & Schmid, P., 2022)

如果在搅拌结束时,在系统中加入一点抖动,会产生更多涡流,也能带来更好的混合

研究人员模拟并优化了不同情况的搅拌结果,包括搅拌器形状或搅拌速度,以及综合的优化。(图/Eggl, M. & Schmid, P., 2022)

搅拌的科学

两位科学家表示,虽然在日常或工业应用中,很难真正制作出那种极不规则的搅拌器形状,但他们认为,这些发现可以对液体混合问题带来新的启示,帮助优化特定应用中的溶液混合过程,从而提高生产效率,并创造出更多的具有创造力的工具。

#创作团队:

撰文:Gaviota

排版:雯雯

#参考来源:

https://phys.org/news/2022-08-supercomputer-fluids.html

https://physics.aps.org/articles/v15/s104

https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.7.073904

#图片来源:

封面图&首图:Eggl, M. & Schmid, P., 2022

关键词: 这个简单的动作 你可能一直做错了