複雜的流體力學理論或可解釋輪胎在濕滑路面上的運動現象

近日，來自 CNRS、里昂大學、以及米其林集團的一支科學家團隊，在 AIP Publishing 旗下的《流體物理學》期刊上發表了他們的最新研究。據悉，當車輛在潮濕或積水的路面上駛過時，水會在論壇前部積聚產生升力。如果這一作用力變得相當大，足以將車輛抬離地面，就產生了一種被稱作“滑水”（Hydroplaning）的現象。

（圖自：Serge Simons）

對於輪胎和汽車製造商來説，顯然需要通過精心設計的胎面紋路，在通過輪胎前部排水的同時、不至於降低其在路面上的附着力。

遺憾的是，此前一直鮮有這種定量的實驗研究。好消息是，藉助激光成像技術，研究團隊在其搭建的實驗室環境中展開了深入測試。

如上圖所示，微小的熒光顆粒被用於描繪水與輪胎接觸時的激光照射，以便將水流經輪胎前部和通過溝槽時的現象進行可視化分析。

研究配圖 - 2：不同紋路的胎面示意

作為對比，此前發表的輪胎胎面定量速度測量工作，只是藉助高速攝像機、並用米粒作為水的示蹤劑來完成的。

在將軌道佈置於透明玻璃上方的區域、然後用水浸沒之後，高速相機可觀察輪胎的大致運動。

然而這麼做的缺點是精度不高、且對比度較差，因為種子的直徑約 1.5 毫米，所以無法將凹槽內的速度信息用於流體分析。

研究配圖 - 1：單個 / 立體相機照射方案

為了克服傳統方案的精度問題，研究團隊開發了一套更加複雜的解決方案。其中包括使用熒光顆粒、並使用一片激光來照亮該區域，以實現可視化的流體觀察。

據悉，熒光顆粒的直徑僅為 35 微米，約為人類髮絲的一半，且密度接近於水。

研究作者 Damien Cabut 表示，凹槽內部水流的第一個顯著特徵，是存在白色的細絲或水柱，表明此現象中可能存在氣相、氣泡或空化。

研究配圖 - 3：存在於夏季胎凹槽中的氣泡柱示意圖

研究人員指出，由於凹槽中混雜了液態和氣態兩相，使得分析變得更加複雜，此外他們在某些凹槽中發現了渦流和氣泡。

研究作者稱，凹槽內的漩渦數，或與紋路的開槽寬度 / 高度的比率有關。

Damien Cabut 補充道：“一種渦流的產生機制，或與胎面尖鋭邊緣周圍的流動相關，其效果類似於在氣動升力中觀察到的三角翼現象”

研究配圖 - 22：擠壓效應 / A 槽中形成的第二渦流

研究發現，當距離和速度適當增加時，凹槽中的流動結構與車速的提升是相對的，意味着可能對“滑水”產生影響。

不過想要了解渦旋的形成、以及氣泡在凹槽中的作用，仍需要在當前基礎上開展進一步的研究。有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的 AIP《Physics of Fluids》期刊上。

原標題為《Analysis of the water flow inside tire grooves of a rolling car using refraction particle image velocimetry》。