一、负压有效区域的评估方法

负压有效区域是机器人底部与池壁间隙内，压力低于环境水压、能产生指向壁面正压力的区域，可通过以下步骤评估：

1. 几何边界判定有效区域的外边界是密封裙边/底盘边缘，内边界是水泵进水口的轮廓；若底盘无密封结构，有效区域为进水口周围压力低于环境水压的径向范围，边界处压力等于环境水压 $p_0$。
2. 压力场分布计算设环境水压为 $p_0$，间隙内任意点压力为 $p(r)$，则有效区域满足 $p(r)<p_0$。对于平行间隙内的径向层流，压力沿径向的分布满足：

$$\frac{dp}{dr}=\frac{6\mu Q}{\pi h^{3}r}$$

其中 $\mu$ 为水的动力黏度，$Q$ 为水泵流量，$h$ 为底盘与池壁的间隙高度，$r$ 为该点到进水口中心的径向距离。

对该式从进水口半径 $r_i$（压力为泵入口压力 $p_i$）向外积分，直到 $p(r)=p_0$，对应的半径 $r_e$ 即为有效区域半径，有效区域面积为：

$$A_e=\pi (r_e^2-r_i^2)$$

3. 仿真验证方法用 Fluent 等 CFD 工具建立底盘-池壁间隙的流体域，设置水泵入口流量边界、环境压力出口边界，求解间隙内的压力云图，直接提取 $p<p_0$ 的区域即为实际有效区域；需考虑密封裙边变形、壁面粗糙度、进水口格栅遮挡的影响。

二、负压产生的吸附推力计算

负压推力是有效区域内压力差对壁面的总正压力，本质是大气压与间隙低压的差值在有效面积上的积分：

1. 理论估算公式若有效区域内平均压力为 $p_{avg}$，则垂直指向池壁的吸附力为：

$$F_{ad}={\int }_{A_e}(p_0-p(r))dA$$

工程上可简化为平均压差乘以有效面积：

$$F_{ad}\approx (p_0-p_{avg})\cdot A_e$$

其中泵入口的真空度 $\Delta p=p_0-p_i$ 可通过水泵性能曲线（流量-扬程曲线）获取，扬程 $H$ 对应的压差为 $\Delta p=\rho gH$，$\rho$ 为水的密度。

2. 关键影响因素
   • 间隙高度 $h$：间隙越大，压力衰减越快，有效区域和吸附力越小；间隙过小则会导致进水阻力过大，水泵流量下降，吸附力反而降低，存在最优间隙值。
   • 密封结构：带柔性密封裙边时，有效区域可接近整个底盘面积，吸附力显著提升；无密封时有效区域仅集中在进水口周围。
   • 流量匹配：吸附力随水泵流量增大先升后降，流量过大会导致间隙内流速过高、动压占比上升，静压压差反而减小。

三、入流产生的分离力确实存在

水流从底盘边缘进入间隙、流向进水口的过程中，会产生两个将机器人推离池壁的作用力，是吸附设计中必须抵消的分量：

1. 动压冲击分离力水流从环境进入狭窄间隙时，流动方向从平行于壁面转为沿间隙径向向内，会对底盘底面产生垂直向上的动压反力。该力大小与入流动能成正比：

$$F_{sep1}=\frac{1}{2}\rho v_{in}^2\cdot A_{in}$$

其中 $v_{in}$ 是间隙入口处的水流速度，$A_{in}$ 是间隙入口的通流周长乘以间隙高度。当间隙越小、入口流速越高时，该分离力越大。

2. 伯努利效应反向力水流在间隙内高速流动时，根据伯努利方程，动压升高会导致静压降低，但在进水口正上方的泵腔入口处，水流方向从径向转为轴向向上进入泵体，会对底盘产生向上的动量反冲力：

$$F_{sep2}=\rho Q{v}_z$$

其中 $v_z$ 是水流进入水泵入口的轴向流速。

3. 净吸附力校核实际能提供正压力、产生摩擦力的有效吸附力为总负压压力减去分离力：

$$F_{net}=F_{ad}-F_{sep1}-F_{sep2}$$

当间隙过小、流量过大时，分离力可能超过负压产生的正压力，导致机器人无法贴壁；这也是部分设计需要在底盘设置导流槽、控制最优间隙的核心原因——避免入流分离力抵消吸附效果。

补充说明：机器人顶部排水口的射流反作用力如果存在向上/向外的分量，也会产生附加分离力矩，仿真时需将该力纳入整体力平衡，避免出现“负压足够但仍打滑/脱落”的情况。