近日，国际著名期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）正式发表题为“From Propulsion to Suction: Unraveling Thrust Reversal in Propellers at Intermediate Reynolds Numbers”的研究论文，报道了北京邮电大学物理科学与技术学院丁阳教授团队在微尺度螺旋桨“推进力反转”现象研究方面取得的重要成果。该论文通讯作者为丁阳教授，团队成员北京计算科学研究中心博士生付蓉、北京师范大学博士生李思雨共同参与了研究工作。这一成果获《人民日报》《中国科学报》《科技日报》等多家媒体报道。

这项重大发现源于一次实验中的意外观测。团队原本计划将玩具潜艇放入硅油中以减缓其运动速度，却发现异常现象：无论发出“前进”还是“后退”的指令，潜艇始终向后倒退。他们很快意识到，这并非设备故障，而是一个值得深入探索的物理现象。

研究显示，这种“倒退”的关键在于一个名为“雷诺数”（Re）的参数，用来衡量流体运动时的惯性力与粘性力的相对大小。像船和飞机这样的“大块头”在水或空气中运动时，惯性更强，属于高雷诺数；细菌在血液中游动时，粘性主导，属于低雷诺数。而研究团队的潜艇实验处于两者之间——也就是“中等雷诺数”范围。通过使用高粘度硅油，团队将雷诺数降低到0.4–350的区间，发现了不同雷诺数下不同的行为：在高雷诺数（Re ≳ 175）下，玩具潜艇的行为与在水中时相似；当雷诺数降低至 150 至 175 范围内时，运动的方向变得不稳定，而当雷诺数约为1.3至150时，潜艇出现了明显的推力反转：顺时针旋转导致后退运动，这与高雷诺数下的行为完全相反，而逆时针旋转仍然为后退运动，研究团队将其定义为“推进力反转”现象。

图: 微型玩具潜艇在中等Re环境（硅油）中运动

为揭示该现象的内在机制，团队将实验系统简化为“圆盘—螺旋桨”组合模型，通过固定轴向推力测试实验与三维数值模拟相结合的研究方法，明确了其流体力学本质：在高Re时，螺旋桨加速的液体在其后方形成射流；当Re降低时，本应向后喷射的流体被偏折向四周，螺旋桨表现出类似离心水泵的工作特性，将周围流体向径向甩出，进而在螺旋桨中心区域形成负压吸力，正是这一吸力使得潜艇产生反向运动。

图: 实验（左）和数值模拟（右）中螺旋桨旋转时流体的运动状态

随着材料和微纳制造技术的进步，毫米级微型航行器正被广泛应用于医疗、环境、工业等领域，如在血液、粘液或狭窄管道等环境。这项研究打破了人们以往只在高或低雷诺数下研究螺旋桨的传统认识，揭示了中等雷诺数流体中独特的运动规律。这一发现为未来微型机器人在复杂流体环境中的精准运动提供了重要的理论基础，也为跨领域合作和实际应用打开了新的方向。

此项研究成果获得国家自然科学基金与北京邮电大学科研启动项目支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2504153122