为何有些流体的流速在压力的作用下变慢了？

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对于大多数流体来说，增加压力会使流速增加，就像从管子里挤出番茄酱一样。但是在流经土壤或沉积岩等多孔材料时，一些流体的流速则在压力的作用下反而变慢了。准确找出造成这种减速的原因，将有利于环境清理和石油开采等行业，因为这些行业会将一种流体泵入地下来迫使另一种流体流出。不过，我们很难直接观察到流体的这类减速现象。
美国普林斯顿大学的化学工程师克里斯托弗·布朗（ChristopherBrowne）和物理学家苏吉特·达塔（SujitDatta）为这一难题提供了一种解决方法。通过将一种特殊的流体调制为透明，再将这种透明的流体注入同样透明的人造岩石的孔隙里，他们记录下流体流动变得混乱而导致涡流形成的过程，以及涡流堵塞孔隙、进而减缓流体流动的现象。
研究人员关注的流体叫做聚合物溶液，是由具有弹性的大分子分散在溶剂中形成的，常见于生物学以及化妆品和能源行业。此前，理论研究表明，当溶液中的线型聚合物在一个近乎水平的通道上被拉伸，然后再回缩时所释放的应力能激起涡流。但对于这种湍流能否“在真实的土壤、沉积物和多孔岩石等三维介质中产生，一直存在激烈的争论” ，达塔说道。

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为了解决这一争议，研究人员在一个小矩形室里装满小玻璃珠，以模拟一块多孔的沉积岩，然后将一种经过特殊处理的聚合物溶液注入这块“沉积岩”中。他们通过略微稀释聚合物溶液来精确调整溶液的化学性质，以改变光的折射路径，从而使“沉积岩”在孔隙填满溶液时呈现完全透明的状态。
研究人员还在聚合物中加入了荧光粉，以便用显微镜跟踪流体在孔隙中的流动。他们最终记录下了不规则的涡流，以及溶液在不同压力下的流动状态。他们的结果证实了此前理论上为解释流速减慢的宏观现象而提出的微观机理，并将结果发表在《科学·进展》（ScienceAdvances）上。美国宾夕法尼亚大学的生物化学工程师保罗·阿拉蒂亚（PauloArratia ，未参与这项研究）说：“将三维多孔介质内的流动过程可视化，实际上是提供了一扇看到过去不可能看到的事物的窗口。因此，如果你真的能看到分子拉伸和回缩的过程，那就能极好地从分子的角度提出相应的微观机理。 ”

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工业界需要知道要想推动聚合物溶液以一个特定的流速通过多孔材料，需要提供多大的压力。这项研究为此提供了一个物理模型，并能据此模型预测，比如，通过注入溶液能从一个化学环境中回收多少污染物。达塔说：“如果没有提前预测相关的物理量，那么将需要反复注入溶液才能找到最佳的实验条件。 ”
撰文：蕾切尔·伯科威茨(RachelBerkowitz)
翻译：巢栩嘉
审校：石云雷
引进来源：科学美国人
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为何有些流体的流速在压力的作用下变慢了？

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