诺伊大学研究员KyleSmith与博士生MdHabiburRahman和VuDo、硕士生ColbyWarden以及应届毕业生IrwinLoudIV(MSME2023)在《流体物理学》上发表了他们的新流形设计理论(正在申请专利)。
他们的论文“低雷诺数下均匀流动的紧凑低压歧管”也被该期刊的编辑选为特色文章。
机械科学与工程副教授史密斯说：“我认为从机械工程的角度来看真正酷的事情是，在我们引入的这种设计范例中，我们利用歧管内的压力梯度来使流动均匀。”
歧管通常根据其用途进行分类(例如进气或排气)，歧管是一种空心体，流体(例如空气或水)通过它从一个空间过渡到另一个空间。例如，汽车的进气歧管有助于环境空气流入发动机气缸。
该团队的理论提出了一种与文献中长期存在的歧管设计理论完全不同的设计策略，后者优先考虑实现歧管内的压力均匀性。他们的理论阐明了必须满足的三个设计约束，其中第一个是策略性地使歧管集管或进气口的横截面逐渐变细。
“根据你使用的横截面类型、集管通道的形状，锥形函数会呈现不同的形式，”史密斯在谈到应用该理论时说道。“这些都是基于物理学的约束，工程师可以将其应用于歧管的设计。”
第二个约束规定扩散器区域或出口应具有以三角形结构排列的均匀间隔通道。第三个约束考虑了应应用于该区域的角度。
“最终，我们选择了锥形集管、三角形扩散器歧管，因为从理论上讲，这是唯一能够使所有出口通道的流速均匀分布的结构，”劳德说道，他回忆说，他们还探索过其他配置，如直集管、三角形扩散器和直集管、矩形扩散器歧管。
论文描述了研究人员的实验过程，Loud最初用3D打印技术制作了歧管原型。该团队用透明丙烯酸树脂研磨出后续迭代，然后从基于染料的流动可视化中收集数据，分析染色流体流经歧管进入未染色溶液的图像。
拉赫曼谈到他进行的实验时说：“一个主要的挑战是气泡滞留。我们最终通过使用表面活性剂克服了这一障碍。作为一名新实验者，做这些实验对我来说既是一种挑战，也是一种启发。”他们的实验结果与他们的理论和计算机模拟高度一致。
“我们的论文讨论了满足所有三个约束的流形与包含一些约束但忽略其他约束的其他流形的比较，”史密斯说。“我们证明，同时满足所有三个约束会产生最均匀的流动和在最宽的流速范围内均匀的流动。”
他们的文章重点介绍了单个歧管的设计，该歧管将流体从一个输入端分配到多个出口，这是实现出口流量均匀性最具挑战性的歧管配置。然而，该理论可以广泛应用，包括两个歧管系统，以实现多股流体的进气和排气均匀流动。
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