航空工程的一项基本原则已被推翻

# 航空工程学的一项基本原理被推翻 来源：https://www.wired.com/story/a-fundamental-principle-of-aeronautical-engineering-has-been-overturned/ 空气阻力是高速飞机、汽车和子弹列车的一大“障碍”。这是因为空气阻力较小的设计能让飞行器以更少的能量飞得更快。 当飞机或汽车车身高速移动时，其表面会形成一层薄薄的空气层，称为“边界层”。这个边界层有两种状态：一种是空气有序流动的层流，另一种是包含湍流的湍流。 空气在摩擦力较低的层流状态下持续的时间越长，空气阻力就越小，但随着空气速度增加，它会过渡为湍流。减少空气阻力的关键在于如何延迟这种向湍流的转变。 80多年来，“物体表面必须光滑”这一原理一直是全球航空工程学的基本前提，旨在抑制向湍流的转变并减少空气阻力。这一前提基于1940年日本空气动力学家谷一郎的一项研究结果，他定量证明了“表面粗糙度”（衡量加工表面状态的指标）与湍流转变之间的关系，认为当时制造技术无法避免的表面粗糙度阻碍了层流的实现。 然而，1989年，谷一郎重新解释了流体工程师约翰·尼古拉泽在1930年代获得的粗糙表面管道实验数据，提出了一个全新观点：“粗糙度不一定只会促进湍流转变并增加流体阻力。”继承这一想法，由东北大学的小濵泰昭领导的研究小组在1990年代通过实验证明，表面具有细微纤维状凹凸的纤维粗糙表面，在某些条件下具有延迟转变的效果。 同一东北大学研究团队最近宣布了一项发现，进一步推进了这一趋势。东北大学流体科学研究所副教授八木野愛子及其研究小组全球首次证明，只需施加“分布式微粗糙度”（DMR）——一种肉眼无法分辨的极细微不规则表面粗糙度——即可将空气阻力降低高达43.6%。 这项技术与典型的空气阻力降低技术“沟槽（鲨鱼皮）工艺”在原理上根本不同。沟槽工艺模仿鲨鱼皮上的细微纵向沟槽，通过沿气流方向雕刻约0.1毫米宽的沟槽，来对齐湍流区域壁面附近产生的涡流。而DMR则通过随机且微小的凹凸来延迟从层流到湍流的转换。其影响流动区域和所采用的机制基于完全不同的概念。 ## 在无支撑杆的风洞中进行精确测量 取得这一成果的关键因素在于采用了与传统不同的风洞实验方法。传统的风洞实验存在结构性限制：支撑模型所必需的支撑杆和导线会扰乱气流，从而抵消了微尺度粗糙度引起的微小空气阻力变化。 东北大学流体科学研究所拥有的全球最大1米磁悬浮支撑平衡系统（1m-MSBS）从根本上解决了这一问题。该设备可利用电磁力将长约1.07米的流线型模型在风洞内无接触悬浮。由于不使用任何支撑杆等装置，它完全消除了对模型周围气流的干扰。 八木野及其团队在广泛的雷诺数（流体中惯性力与粘性力的比值）范围内（Re = 0.35 × 10⁶ 至 3.6 × 10⁶），精确测量了光滑表面和DMR涂层表面的总阻力系数。 本次实验中使用了两种DMR：一种是由直径为38至53微米的玻璃珠制成的凸起图案，另一种是通过喷砂工艺施加的凹陷图案。DMR涂层的高度仅为边界层厚度的1%，从流体力学角度来看被归类为“光滑表面”。 实验结果显示，施加DMR的模型其湍流转变开始的临界雷诺数从约1.9 × 10⁶增加到2.2 × 10⁶，并且在转变区内阻力大幅降低了高达43.6%。此外，在测量的最高雷诺数（3.6 × 10⁶）下，施加DMR的表面始终表现出比光滑表面更低的阻力系数。 ## 一种抑制摩擦力本身的机制 空气阻力大致可分为两种：“压差阻力”和“摩擦阻力”。压差阻力是由“分离”引起的阻力，即气流在物体后方与表面分离。而摩擦阻力是由流经表面的空气粘性引起的阻力，当流动保持层流状态时，摩擦阻力会减小。 为了明确是这两种阻力中的哪一种导致了DMR的效果，研究团队使用了“大涡模拟”（LES），这是一种数值流体动力学计算方法，直接计算大尺度湍流涡旋，而小尺度涡旋则通过模型进行近似。本次实验的LES分辨率高达4538万个壁面单元，同时还使用荧光涂料等材料涂覆模型表面，以观察空气流动情况。综合分析结合了“油流可视化”技术，即在模型表面涂上荧光涂料，以目视检查气流。 根据研究人员介绍，LES分析建立了一个保守的压差阻力上限（Cp ≈ 0.00021），该值与未有意引入人工扰动的层流计算得出的理论值在1%以内一致。然而，本研究中观察到的阻力减少量（ΔCD ≈ 0.001）大约是这一上限的五倍。 即使完全消除物体后方的分离，也只能解释约20%的观察到的阻力减少。换句话说，数值分析定量证实，DMR降低空气阻力的主要因素并非抑制分离，而是减少摩擦阻力本身。 这一原理与高尔夫球表面凹坑的效果根本不同。凹坑通过有意使气流湍流化并抑制后方分离来减少压差阻力。而DMR则通过延迟转变，抑制的不是压差阻力，而是壁面摩擦力本身。两者是相反的机制。 ## 相比‘鲨鱼皮’工艺的优势 DMR降低空气阻力的优势在于其极高的被动性和全方向性。要使沟槽工艺有效，必须沿气流方向精确切割沟槽。相比之下，DMR的优势在于其表面粗糙度是随机的，不依赖于流动方向。 此外，由于不需要运动部件也不需要电力，因此可以低成本实现高减阻效果。如果将DMR应用于飞机，有望通过提高燃油效率显著降低运营成本和二氧化碳排放。 研究团队计划在未来进一步优化DMR的形状和分布密度，并扩大适用的速度范围。 *本文最初发表于WIRED Japan，并由日文翻译而成。*