Опровергнут один из основополагающих принципов авиационной инженерии

Долгое время считалось, что чем более гладкая поверхность, тем меньше её аэродинамическое сопротивление. Оказалось, что это не всегда так.

Аэродинамическое сопротивление является основным барьером для высокоскоростных самолётов, автомобилей и скоростных поездов. Это связано с тем, что конструкция с меньшим аэродинамическим сопротивлением позволяет летательному аппарату развивать более высокие скорости с меньшими затратами энергии.

Когда корпус самолёта или автомобиля движется с высокой скоростью, на его поверхности образуется тонкий слой воздуха, называемый пограничным слоем. Этот пограничный слой имеет два состояния: ламинарное течение, при котором воздух течёт упорядоченно, и турбулентное течение, которое является хаотичным.

Чем дольше воздух остаётся в состоянии ламинарного течения с низким трением, тем меньше становится сопротивление воздуха, но по мере увеличения скорости воздуха оно всё равно переходит в турбулентное течение. Ключ к уменьшению аэродинамического сопротивления заключается в том, чтобы оттянуть момент этого перехода к турбулентности.

На протяжении более 80 лет основной принцип авиационной инженерии был прост: чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление, поверхность объекта должна быть гладкой. Эта предпосылка основывалась на результатах исследования 1940 года, проведённого японским учёным Ичиро Тани, который продемонстрировал взаимосвязь между шероховатостью поверхности (показателем состояния обработанной поверхности) и переходом к турбулентному течению, утверждая, что шероховатость поверхности, которая была неизбежна при технологиях производства того времени, препятствовала реализации ламинарного течения.

Однако в 1989 году Тани переосмыслил экспериментальные данные по трубам с шероховатой поверхностью, полученные инженером-гидродинамиком Йоханом Никуласе в 1930-х годах, выдвинув предположение, что «шероховатость не обязательно способствует только переходу к турбулентному течению и увеличению сопротивления потоку». Развивая эту идею, исследовательская группа под руководством Ясуаки Кохамы из Тохокского университета в 1990-х годах продемонстрировала, что волокнистые шероховатые поверхности, имеющие мелкие волокнистые неровности, при определённых условиях способствуют задержке перехода.

Та же исследовательская группа из Университета Тохоку недавно объявила об открытии, которое значительно развивает эту идею. Айко Якино, доцент Института науки о жидкостях Университета Тохоку, и её исследовательская группа первыми в мире продемонстрировали, что аэродинамическое сопротивление можно уменьшить на 43,6%, просто применив распределённую микронеровность (DMR) — поверхностную неровность, настолько мелкую и нерегулярную, что её невозможно различить невооружённым глазом.

Эта технология принципиально отличается от метода «ручейков» («акульей кожи»), который является известной технологией снижения аэродинамического сопротивления. Метод «ручейков» имитирует мелкие продольные бороздки на коже акулы и, создавая бороздки шириной примерно 0,1 миллиметра вдоль направления воздушного потока, выравнивает вихри, возникающие вблизи поверхности стенки в зонах турбулентного потока. Напротив, DMR задерживает переход от ламинарного к турбулентному потоку с помощью хаотично расположенных крошечных неровностей. Зоны потока, на которые она влияет, и механизмы, которые она использует, основаны на совершенно разных концепциях.

Точные измерения в аэродинамической трубе без опорных стержней

Ключевым фактором этого достижения стало использование нового метода в аэродинамической трубе. Традиционные эксперименты в аэродинамической трубе имели конструктивные ограничения: опорные стержни и проволока, необходимые для поддержки модели, нарушали воздушный поток, нивелируя незначительные изменения сопротивления воздуха, вызванные микроскопической шероховатостью.

Крупнейшая в мире система магнитной подвески длиной 1 метр (1m-MSBS), принадлежащая Институту науки о жидкостях Тохокского университета, кардинально решила эту проблему. Это устройство может без контакта поднимать в воздушной трубе обтекаемую модель длиной примерно 1,07 метра с помощью электромагнитной силы. Поскольку в нём не используются опорные стержни или другие средства, полностью исключается возмущение воздушного потока вокруг модели.

Якино и её команда точно измерили общий коэффициент сопротивления на гладких поверхностях и поверхностях с покрытием DMR в широком диапазоне чисел Рейнольдса — от 0,35 × 10⁶ до 3,6 × 10⁶. (Число Рейнольдса — это отношение инерционных сил к вязким силам в жидкости; оно является ключевым показателем, определяющим, будет ли течение жидкости ламинарным или турбулентным.)

В этом эксперименте использовались два типа DMR: выпуклый узор из стеклянных шариков диаметром от 38 до 53 микрометров и вогнутый узор, нанесённый пескоструйной обработкой. Высота покрытия DMR составляет всего 1% от толщины пограничного слоя и с гидродинамической точки зрения классифицируется как «гладкая поверхность».

Результаты эксперимента показали, что критическое число Рейнольдса, при котором начинается турбулентный переход, увеличилось с примерно 1,9 × 10⁶ до 2,2 × 10⁶ для модели с покрытием DMR, а сопротивление в переходной зоне резко снизилось на 43,6%. Кроме того, поверхность с нанесённым покрытием DMR стабильно демонстрировала коэффициент сопротивления, меньший, чем у гладкой поверхности, вплоть до максимального измеренного числа Рейнольдса (3,6 × 10⁶).

Механизм подавления трения

Сопротивление воздуха можно условно разделить на два типа: сопротивление давления и сопротивление трения. Сопротивление давления возникает в результате отрыва воздушного потока от поверхности позади объекта. Сопротивление трения, с другой стороны, обусловлено вязкостью воздуха, протекающего по поверхности, и уменьшается по мере того, как поток сохраняет ламинарное состояние.

Чтобы выяснить, какой из этих двух видов сопротивления ответственен за эффект DMR, исследовательская группа использовала «моделирование крупных вихрей» — вычислительный метод для численной гидродинамики, при котором крупномасштабные турбулентные вихри рассчитываются напрямую, а мелкомасштабные вихри аппроксимируются с помощью модели. В этом эксперименте использовалось моделирование крупных вихрей (Large Eddy Simulation, LES) с разрешением до 45,38 миллиона ячеек стенки, а также флуоресцентная краска и другие материалы на поверхности модели для наблюдения за течением воздуха. Комплексный анализ объединил «визуализацию потока масла», при которой поверхность модели окрашивается флуоресцентной краской для визуальной проверки воздушного потока.

По словам исследователей, анализ LES установил консервативный верхний предел сопротивления давлению (Cp ≈ 0,00021), который согласуется с теоретическими значениями с погрешностью в пределах 1% по сравнению с расчётами ламинарного течения, в которых намеренно не вводятся искусственные возмущения. Однако величина снижения сопротивления, наблюдаемая в данном исследовании (ΔCD ≈ 0,001), примерно в пять раз превышает этот верхний предел.

Даже если бы отслоение в задней части объекта было полностью устранено, это объяснило бы лишь около 20% наблюдаемого снижения. Иными словами, численный анализ количественно подтвердил, что основным фактором снижения аэродинамического сопротивления за счёт DMR является не подавление отслоения, а само уменьшение сопротивления трения.

Этот принцип принципиально отличается от эффекта ямочек на мячах для гольфа. Ямочки снижают сопротивление давлению за счёт намеренного создания турбулентности в воздушном потоке и подавления отрыва в задней части. DMR, с другой стороны, задерживает переход, тем самым подавляя не сопротивление давлению, а само трение о стенку. Это противоположные механизмы.

Преимущества по сравнению с обработкой типа «акулья кожа»

Сильная сторона снижения аэродинамического сопротивления с помощью DMR заключается в его чрезвычайно высокой пассивности и всенаправленности. Для эффективности нанесения «акульей кожи» необходимо точно вырезать канавки вдоль направления воздушного потока. Преимущество DMR в том, что шероховатость поверхности можно делать хаотичной и не зависящей от направления потока.

Кроме того, поскольку для этого не требуются ни движущиеся детали, ни электричество, можно добиться высокого эффекта снижения сопротивления при низких затратах. Ожидается, что применение DMR в авиации позволит значительно сократить эксплуатационные расходы и выбросы углекислого газа за счёт повышения топливной эффективности.

В будущем исследовательская группа планирует продолжить работу по оптимизации формы и плотности распределения DMR, а также расширить диапазон применимых скоростей.