En forskargrupp vid Tohoku University i Japan har visat att en extremt fin, oregelbunden ytstruktur kan minska aerodynamiskt motstånd med upp till 43,6 procent. Resultaten utmanar en mer än 80 år gammal grundprincip inom flygteknik om att ytor måste vara så släta som möjligt för att minska luftmotstånd, skriver wired.com.
Bakgrund: Slät yta har varit norm
Inom flyg- och fordonskonstruktion har det länge setts som självklart att en så slät yta som möjligt ger lägst luftmotstånd. Synsättet går tillbaka till försök från 1940-talet av den japanske forskaren Ichiro Tani, som kopplade ytjämnhet till när luftflödet övergår från ordnad, laminär strömning till kaotisk, turbulent strömning. Med dåtidens tillverkningsteknik var en viss grovhet ofrånkomlig, och Tani drog slutsatsen att skrovlighet i praktiken hindrade laminärt flöde.
Senare omtolkade Tani äldre data från experiment med grova rör och föreslog att ytstrukturer inte alltid behöver öka turbulens och motstånd. På 1990-talet visade en forskargrupp vid Tohoku University att fiberrugga ytor, med mycket fina fiberrika ojämnheter, under vissa förhållanden kunde fördröja övergången till turbulent flöde.
Ny metod: Distribuerad mikro‑skrovlighet
Den nya studien leds av Aiko Yakino vid Tohoku Universitys Institute of Fluid Science. Gruppen har för första gången kunnat visa att en särskild typ av extremt fin ytstruktur – distributed micro-roughness (DMR) – kan minska luftmotståndet kraftigt, uppger enligt wired.com.
DMR består av slumpmässigt fördelade, mikroskopiska upphöjningar eller fördjupningar som inte går att skilja med blotta ögat. Forskarna använde två varianter: en konvex struktur med glaspärlor på 38–53 mikrometer i diameter, och en konkav struktur framtagen med sandblästring. Höjden på beläggningen är omkring 1 procent av gränsskiktets tjocklek, och klassas hydrodynamiskt fortfarande som en “slät” yta.
I stället för att styra turbulensen, som i kända lösningar med längsgående räfflor inspirerade av hajskinn, verkar DMR genom att fördröja själva övergången från laminärt till turbulent flöde. Därmed angriper tekniken en annan del av flödet och bygger på en annan fysikalisk princip än dessa etablerade metoder, rapporterar wired.com.
Vindkanal utan störande stödstag
En teknisk nyckel till resultaten är ett speciellt vindkanalsystem vid Tohoku University. Där används ett så kallat 1-meter magnetic support balance system (1m-MSBS), som med elektromagneter kan hålla upp en cirka 1,07 meter lång strömlinjeformad modell helt utan mekaniska stag eller vajrar.
Det eliminerar störningar i luftflödet från stödstrukturer och gör det möjligt att mäta mycket små skillnader i motstånd orsakade av mikroskopisk ytstruktur. Forskargruppen mätte den totala motståndskoefficienten för både helt släta och DMR-behandlade ytor över ett brett spann av Reynolds-tal, från cirka 0,35 × 10⁶ till 3,6 × 10⁶.
Resultaten visar att det kritiska Reynolds-tal där övergången till turbulent flöde inleds ökade från ungefär 1,9 × 10⁶ till 2,2 × 10⁶ när modellen hade DMR-beläggning. I övergångszonen minskade motståndet med upp till 43,6 procent. Den DMR‑behandlade ytan hade dessutom genomgående lägre motståndskoefficient än den släta referensytan upp till det högsta uppmätta Reynolds-talet.
Analys av vad som faktiskt minskar
Luftmotstånd brukar delas upp i tryckmotstånd, som uppstår när luftflödet lossnar från ytan bakom ett objekt, och friktionsmotstånd, som orsakas av luftens viskositet längs ytan. Friktionsmotståndet blir mindre när flödet förblir laminärt.
För att förstå vad DMR framför allt påverkar använde forskarna storskalig eddy-simulering (LES), en beräkningsmetod där stora virvlar i ett turbulent flöde löses direkt och mindre virvlar modelleras. Simuleringen använde upp till tiotals miljoner celler nära väggen och kombinerades med visualiseringsmetoder där olja och fluorescerande färg på modellens yta visar hur luften rör sig.
Enligt wired.com satte analysen en konservativ övre gräns för tryckmotståndet som stämmer mycket väl med teoretiska värden. Det tyder på att den stora effekten inte främst kommer från förändrat tryckförlopp bakom kroppen, utan från hur den mikroskopiska skrovligheten påverkar friktionen och fördröjer övergången till turbulent flöde.