文献信息：Scarselli D, Lopez JM, Varshney A, et al. Turbulence suppression by cardiac-cycle-inspired driving of pipe flow [J]. Nature, 2023, 621: 71-74. （点击文末阅读全文可直达）
1、研究背景
全球约有10%的电力用于泵送流体，而湍流的存在降低了泵送效率。在工程应用中，湍流会增大阻力，其引起的波动和交替剪切力也会产生负面影响，如管道腐蚀和硬化。目前现有的湍流控制方法有主动控制和被动控制。前者需要复杂的驱动装置，成本高，实施困难，且效果有限；而后者成本高，适用范围有限，且可能对流体造成污染。因此，开发一种高效湍流控制方法至关重要。
2、创新点
本文提出了一种新的湍流控制方法，即模拟心脏循环的脉冲式驱动。此灵感来源于主动脉血流，揭示了主动脉血流中独特的脉冲式驱动模式对湍流抑制和能量节约的重要作用。与恒定驱动相比，模拟心脏循环的脉冲驱动可以显著降低管道中的湍流水平，甚至在高雷诺数下也能实现湍流抑制。与主动控制相比，脉冲式驱动方法简单易行，成本低廉；与被动控制相比，脉冲式驱动方法对流体性质没有影响，且适用范围广泛。故该创新的湍流控制方法具有较好的应用价值。
3、实验方法
实验在一个7米长的玻璃管中进行，内径为30mm（图1）。使用订制注射泵和伺服电机精确控制流量，模拟心脏周期驱动的脉动流动。通过校准的压力传感器测量压降，计算壁面剪切力。并将结果与直接数值模拟结果对比，以评估脉动流动对减少湍流和节能的效果。实验重复多次以确保统计可靠性，并排除首周期数据以减少偏差。
图1 实验装置图
4、实验结果
4.1 不同脉冲驱动方式对湍流的影响
图2展示了在中等雷诺数下比较稳态驱动、模拟心脏循环的脉冲驱动和无舒张期（本文中指的是一种模拟心脏循环的驱动方式，与实际心脏循环不同的是，忽略了血液停止流动的时间）的脉冲驱动对湍流的影响。在第一种情况下，流体运动始终是湍流的（图2a）。在第二个实验中，使用人体主动脉下降部分的心血管流的波形（图2d）周期性地驱动流量。发现当瞬时雷诺数大于5000时，流动完全是层流（图2b）。在无舒张期的脉冲驱动阶段（图2c和e），流动通常保持湍流，这说明舒张期与湍流抑制的相关性。
三种结果对比说明，除了瞬时雷诺数，波形对流动状态（层流和湍流）起着重要作用。在一个循环过程中，湍流的发展也取决于循环开始时的初始波动水平。这是由于舒张具有核心作用（核心作用可以理解为舒张期提供了一个“喘息”的机会，让湍流和波动有时间平息下来，从而在下一个加速阶段开始时，能够以更稳定的层流状态进行流动），可以有效地将加速度与先前的减速解耦，使湍流和波动在雷诺数再次增加之前衰减。
图2 主动脉血流中湍流的衰减。a-c，Re=2800时血流的三张瞬时快照。图像捕获位于管道入口下游60D的30D长区域内的流动结构。在a中，流动是稳定驱动的，雷诺数是恒定的。在b和c中，流动是周期驱动的，有（b，d）和没有（c，e）的舒张休息期的流动。周期波形的最小雷诺数为Remin = 270 (d)和180 (e)，最大值是Remax = 5300 (d)和3500 (e)。相应的周期平均值分别为Re=1730(d)和1890(e)。
4.2 不同脉冲驱动方式对摩擦阻力和功率消耗的影响
与稳态驱动相比，线性脉冲驱动（图3a和c）状态下的摩擦阻力和功率消耗略有增加。在线性脉冲驱动的基础上增加一个舒张期（图3b和d），发现摩擦阻力显著降低，但功率消耗仍略有增加。这是因为流量的增加需要压力梯度，即需要额外的能量输入。调整加速度而其余条件保持不变（图3c和e），发现摩擦阻力进一步降低，功率消耗也实现了9%的净节省。
实验结果表明带舒张期的脉冲驱动可以有效降低摩擦阻力。舒张期的核心作用为在加速过程中，湍流始终保持初始冻结状态（这种状态是指湍流结构在短时间内保持不变，不受平均速度变化的影响），平均速度的变化对湍流应力的影响最小，从而导致阻力显著减小。
图3 脉动流的摩擦减少及三种不同循环对壁面剪切力的影响。在所有情况下，Remin=3200和Remax=18800。a-c，在a中，Re=11000，在b和c中，Re=8600。在实验和直接数值模拟（DNS）中分别施加了各自的雷诺数调制。d-f，实验中测量的无量纲壁面剪应力τ*（蓝圈）和DNS（红线）。为了进行比较，与准稳态流动相关的摩擦力由黑线提供。
4.3 改变加速度和静止相位对减阻和节能的影响
通过研究功率节省率S随加速期和舒张期变化的关系（图4a），发现较短的加速时间和适中的舒张期是实现功率节省的关键因素。其中最佳舒张期约为不稳定部分持续时间的一半。
图4 优化节能效果。a，功率节省率S作为加速度持续时间Ta和静止相Tr的函数。白色的虚线分隔了正S值和负S值的区域。b，传统f-Re平面上S的对应值。灰色虚线是一个稳定的湍流的摩擦水平（Blasius相关）。
5、总结与启发
本文研究了模拟心脏循环的脉冲驱动方式对管道流湍流抑制和减阻的影响，并优化了其效率和功率消耗。发现其可以有效抑制管道流湍流，实现减阻和节能的双重目标。本研究为管道流减阻提供了新的思路，可用于各种流体输送系统，同时也为工程应用提供灵感，具有广阔的应用前景。
导师点评：感觉好像很牛的样子，但是好像又很好理解，不就是脉冲驱动可以抑制湍流和减阻么?可能关键的是定量了脉冲中加速期和舒张期，首次找到了这种驱动方式减阻节能背后的科学机制。
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