中國科學家首次發現"推進力反轉"現象

日期: 2025-10-03 | 來源: 科技日報 | 有0人參與評論 | 字體: 小中大
科技日報記者張蓋倫

螺旋槳正轉，推動物體前進；螺旋槳反轉，使得物體後退，但這種“常識”被一次意外發現推翻。近日，北京郵電大學物理科學與技術學院丁陽教授團隊首次發現了一種螺旋槳失靈現象，在特定情況下，無論螺旋槳是正轉還是反轉，物體都會後退。團隊將這種現象稱為 “推進力反轉”，相關論文刊發在最新一期《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，已於北京時間10月3日上線。

論文第一作者、北京計算科學研究中心博士生付蓉告訴科技日報記者，三年前，在用一種潛艇玩具做實驗時，她驚訝地發現，當將潛艇置於硅油中時，無論潛艇上的螺旋槳怎麼轉，玩具都會在硅油中後退。研究了多年流體力學的丁陽敏銳意識到，這一現象值得進一步探究。歷經多輪實驗並完成三維數值模擬後，團隊確認，這是雷諾數在“作怪”。

雷諾數指的是游動體在流體中游動時所感受到的慣性力和粘性力的比值，它受流體性質與游動體尺寸的共同影響。像船這樣的大型物體在水裡運動時慣性力更大，此時處於高雷諾數情境；而微小的細菌在血液游動時粘性力成為主導，此時處於低雷諾數情境。實驗中，微型潛艇在硅油中行進，則恰好處於中等雷諾數區間。實際上，科學界對這一區間中螺旋槳或螺旋形推進的流體動力學描繪尚是空白。

團隊通過三維數值模擬發現，旋轉的螺旋槳帶動有傾斜角度的葉片與硅油相遇時，產生了兩種互相“較勁”的效應——“離心吸入效應”與“後向流體加速效應”。前者指的是旋轉的螺旋槳帶動硅油轉動，在螺旋槳附近形成負壓區，這一負壓區使得螺旋槳主要將尾部的硅油向前吸，形成向後吸引螺旋槳和潛艇的反作用力。後者指的是硅油被有角度的螺旋槳撞擊形成一股向後的射流，產生一種沿著螺旋槳軸方向向前的升力，推動潛艇向前行進。在中等雷諾數情境下，潛艇和螺旋槳承受向後的吸力會大於向前的升力，所以無論螺旋槳怎麼轉，潛艇都會後退。

研究團隊

丁陽介紹，近年來，材料科學、微納制造等關鍵支撐技術取得突破性進展，推動了微型航行器如微型機器人的跨越式發展。許多曾經無法想見的中等雷諾數情境，現在已頻繁出現。其研究提示，在對微型航行器進行設計時，需要考慮雷諾數的影響，從而規避或者利用這種“推進力反轉”現象。

目前，丁陽正在研究如何讓螺旋槳在中等雷諾數情境下高效產生推進力，並深入探討螺旋槳在中等雷諾數場景中的流體動力學特征，期望在跨學科合作中解決更多實際問題。
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