Влияние DMR на снижение сопротивления обтекаемого тела, измеренное с помощью системы магнитной подвески и балансировки
Более 80 лет в гидродинамике существовал фундаментальный принцип, согласно которому более гладкие поверхности создают меньшее аэродинамическое сопротивление. Однако исследовательская группа под руководством доцента Айко Якено из Института гидродинамики Университета Тохоку опровергла это давнее предположение. Применив распределенную микрошероховатость (DMR) — нерегулярные микромасштабные текстуры поверхности — к тестовой модели, команда впервые в мире экспериментально продемонстрировала снижение аэродинамического сопротивления до 43,6%. Работа опубликована в журнале Journal of Fluid Mechanics.
Рис. Сравнение коэффициента общего сопротивления (КС) в зависимости от числа Рейнольдса для гладкой поверхности (Plain) и поверхностей, покрытых DMR (DMR1, DMR2). DMR обеспечивает снижение сопротивления до 43,6% в переходном режиме и поддерживает более низкое сопротивление, чем гладкая поверхность, вплоть до самого высокого исследованного числа Рейнольдса. Источник: Yakeno et al.
Ключом к прорыву стала одна из крупнейших в мире разработанная институтом 1-метровая система магнитной подвески и балансировки (MSBS). Благодаря левитации обтекаемого корпуса модели (тестовой модели, напоминающей длинную, повернут боком каплю) с помощью электромагнитной силы, система MSBS устраняет все помехи от опор, которые могли бы скрыть незначительные изменения сопротивления от DMR. Эта система позволяет проводить высокоточные наблюдения в реалистичных условиях свободного полета, чего невозможно достичь в традиционной аэродинамической трубе.
В дополнение к экспериментальной проверке в лаборатории, учёные использовали моделирование крупномасштабных вихрей (LES) с разрешением по стенкам для компьютерной визуализации воздушного потока и установления механизма, объясняющего снижение сопротивления. Результаты показывают, что снижение сопротивления обусловлено подавлением трения поверхности — механизмом, принципиально отличающимся от отрывного течения, вызванного ямочками на мячах для гольфа.
Метод LES также показал, что высота шероховатости DMR соответствует k⁺ ≈ 1,2–1,7 в вязкостных единицах, что значительно ниже порога гидравлической гладкости (k⁺ < 5). Поверхность, которую специалисты по гидродинамике классифицируют как гладкую, обеспечила резкое снижение сопротивления на 43,6%, что бросает вызов многолетним устоявшимся методам проектирования. Более того, эффект сохранялся до самого высокого исследованного числа Рейнольдса (Re = 3,6×10⁶), а это предполагает, что снижение сопротивления может распространяться за пределы переходного режима в область турбулентного потока.
