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物理学 > 流体动力学

arXiv:2507.00857 (physics)
[提交于 2025年7月1日 ]

标题: 磁控元流体用于超材料的类流体应用

标题: Magnetic control of metafluids for fluid-like applications of metamaterials

Authors:Ezra Ben-Abu, Anna Zigelman, Sefi Givli, Amir D. Gat
摘要: 超材料是由重复单元组成的结构,它们能够实现自然界中不存在的宏观尺度特性。 由于超材料通常是具有预定连接关系的固体结构,因此很难将其独特特性应用于许多需要流体行为的临界应用,例如热机或冷却循环。 最近的研究建议通过创建一种机械元流体来克服这一限制,这是一种由多稳态单元组成的润滑悬浮液。 然而,实现这一概念需要能够控制元流体的速度和状态。 在此,我们提出使用时变磁场作为操纵元流体的机制。 我们关注的是包含气体并悬浮在充满液体的管道中的磁性多稳态胶囊晶格。 我们推导了控制方程,并在磁驱动的粘滞极限下,从理论上和实验上研究了元流体的一维流体力学。 通过应用时变磁场,我们控制了胶囊的局部压缩和膨胀以及整个流场。 我们的理论结果与实验数据进行了比较,显示出良好的一致性。 这项工作为将机械超材料用于需要流体行为的应用铺平了道路,从而扩展了超材料应用的范围。
摘要: Metamaterials are structures composed of repeating unit-cells which enable macro-scale properties not found in nature. Since metamaterials are typically solid structures with predetermined interconnections, it is challenging to leverage their unique properties for many critical applications that require fluid-like behavior, such as heat engines or cooling cycles. Recent research suggested overcoming this limitation by creating a mechanical metafluid', which is a lubricated suspension of multistable unit-cells. However, realization of this concept necessitates the ability to control both velocity and state of the metafluid. Here, we propose the use of time-varying magnetic fields as a mechanism to manipulate metafluids. We focus on a lattice of magnetic multistable capsules enclosing gas and suspended within a liquid-filled tube. We derive the governing equations and examine one-dimensional fluid mechanics of the metafluid, both theoretically and experimentally, at the viscous limit under magnetic actuation. By applying time-varying magnetic fields, we control both the local compression and expansion of the capsules, as well as the entire flow field. Our theoretical results are compared with experimental data, showing good agreement. This work paves the way for the utilization of mechanical metamaterials to applications that require fluid-like behavior, thus extending the scope of metamaterial applications.
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:2507.00857 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2507.00857v1 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.00857
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Ezra Ben-Abu [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 7 月 1 日 15:26:05 UTC (9,033 KB)
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