Физики опровергли 80-летний принцип аэродинамики: микрошероховатость оказалась эффективнее идеально гладкой поверхности
На протяжении более 80 лет в авиационной инженерии считалось аксиомой: чем глаже поверхность самолёта или автомобиля, тем ниже сопротивление воздуха. Именно поэтому инженеры десятилетиями стремились создавать максимально отполированные корпуса, крылья и обшивки.
Новое исследование показало, что этот фундаментальный принцип работает не всегда. Команда под руководством доцента Айко Якино (Aiko Yakino) из Института гидродинамики Университета Тохоку (Япония) доказала, что специально созданная микроскопическая шероховатость поверхности может уменьшать аэродинамическое сопротивление до 43,6%.
Ключевой эффект достигается благодаря тому, что микронеровности задерживают переход воздушного потока из ламинарного состояния в турбулентное. Именно турбулентность создаёт значительную часть сопротивления при движении самолётов, автомобилей и скоростных поездов.
До сих пор аэродинамика исходила из противоположного подхода: любые шероховатости считались источником преждевременной турбулентности и роста сопротивления. Эта идея восходит к работам японского аэродинамика Итиро Тани (Ichiro Tani), который ещё в 1940 году количественно показал связь между шероховатостью поверхности и переходом к турбулентному потоку. Однако позднее сам Тани предположил, что некоторые типы шероховатости могут вести себя иначе.
Именно эту гипотезу спустя десятилетия развили учёные Университета Тохоку.
Иллюстрация: Nano BananaНовая технология получила название Distributed Micro-Roughness (DMR) — «распределённая микрошероховатость». В отличие от известных «акульих» покрытий с направленными канавками, DMR использует хаотичные и случайные микронеровности, невидимые человеческому глазу.
Для экспериментов использовали два типа покрытий: выпуклую структуру из стеклянных микросфер диаметром 38–53 микрометра и вогнутую поверхность, созданную пескоструйной обработкой. Высота этих неровностей составляла всего около 1% толщины пограничного слоя воздуха, поэтому с точки зрения классической гидродинамики поверхность всё ещё считалась практически гладкой.
Главным технологическим прорывом стала уникальная экспериментальная установка. Обычные аэродинамические трубы требуют крепления модели на стойках и проводах, которые сами искажают поток воздуха и мешают точно измерять столь малые эффекты. Японские инженеры решили проблему с помощью крупнейшей в мире магнитной системы подвеса 1m-MSBS. Она позволяет удерживать метровую аэродинамическую модель внутри трубы без физического контакта — исключительно электромагнитным полем.
Благодаря этому учёные смогли впервые сверхточно измерить различия между идеально гладкой поверхностью и DMR-покрытием.
Эксперименты показали, что критическое число Рейнольдса — момент начала перехода к турбулентности — сдвигается с 1,9×106 до 2,2×106. Иными словами, поток остаётся ламинарным значительно дольше.
Дополнительное компьютерное моделирование подтвердило, что эффект связан именно со снижением трения воздуха о поверхность, а не с уменьшением вихрей позади объекта. Это делает DMR принципиально новым типом аэродинамической технологии.
Ещё одно важное преимущество — универсальность. В отличие от «акульих» покрытий, которым требуется строгое направление канавок вдоль потока воздуха, DMR не зависит от направления движения.
Кроме того, технология не требует электроники, подвижных элементов или сложного обслуживания. По сути, речь идёт о специальной структуре поверхности, которую можно относительно дёшево наносить на корпуса самолётов, поездов или автомобилей.
Если технология будет масштабирована для авиации, то она потенциально позволит существенно снизить расход топлива, эксплуатационные расходы и выбросы углекислого газа.
Сейчас команда Университета Тохоку работает над дальнейшей оптимизацией формы и плотности микрошероховатости, а также пытается расширить диапазон скоростей, на которых эффект остаётся максимальным.
© iXBT
