Ученые, снизившие сопротивление на 43,6 %, обнаружили неизвестную структуру воздушного потока

Японская исследовательница Айко Якено, чья команда экспериментально снизила аэродинамическое сопротивление обтекаемой модели на 43,6 % с помощью микроскопической шероховатости, сообщила о новом открытии. Учёные обнаружили ранее не описанную структуру воздушного потока у поверхности, которая может помочь понять, как ламинарное движение переходит в турбулентное.

Результаты нового исследования опубликованы в журнале European Journal of Mechanics – B/Fluids. Оно продолжает работу Якено над физикой пограничного слоя — — тонкой области воздуха непосредственно у поверхности твёрдого тела.

Неизвестная структура возникает у стенки

Исследовательница из Института наук о жидкостях Университета Тохоку изучала переход потока от ламинарного, упорядоченного движения к турбулентному, сопровождающемуся хаотическими колебаниями. Для этого она использовала прямое численное моделирование — метод, позволяющий рассчитывать движение жидкости или газа без применения моделей турбулентности. Расчеты показали, что непосредственно у стенки возникает ранее не описанная упорядоченная структура потока. Ее характерный масштаб составляет всего 0,35–0,55 толщины пограничного слоя, а колебания скорости образуют диагональный узор под углом примерно 45°.

Структура сосредоточена вблизи поверхности и значительно меньше тех, которые описывались ранее для аналогичных условий перехода к турбулентности. Чтобы проверить, имеет ли это явление физический смысл, Якено изменила параметры расчетов, в частности скорость потока и условия возмущения. Характерные масштаб и направление структуры сохранялись. Это свидетельствует о том, что она не является случайным артефактом численного моделирования.

Подавление колебаний ослабило вихри

Исследовательница также проверила, что произойдет, если численно подавить колебания в тонком слое воздуха у поверхности. После этого вихревые структуры, которые развивались дальше по течению, стали более слабыми. Результаты показывают, что движение вблизи стенки может влиять на дальнейшее развитие турбулентности.

Однако автор пока не утверждает, что обнаруженная структура является непосредственной причиной перехода к турбулентности. Механизм её возникновения требует дальнейшего изучения. Работа основана на численном моделировании, а не на экспериментальном наблюдении этого явления.

Объясняет ли это снижение сопротивления на 43,6 %?

В мае 2026 года команда Якено опубликовала ещё одно исследование, в котором экспериментально показала, что особая микроскопическая текстура поверхности может уменьшить аэродинамическое сопротивление обтекаемой модели. Для этого использовали Distributed Micro-Roughness (DMR) — — нерегулярно распределенные микронные неровности. В переходном режиме течения снижение сопротивления достигло 43,6%.

Для точных измерений модель удерживали в воздухе с помощью магнитной системы, которая устраняла влияние механических опор на результаты. Компьютерное моделирование и визуализация потока показали, что эффект связан прежде всего с уменьшением трения воздуха о поверхность, а не с отрывом потока — механизмом, важным, например, для ямок на мячах для гольфа.

Микронные неровности уменьшают трение

Новое открытие касается той же самой физической проблемы — поведения воздуха у поверхности и перехода к турбулентности. Однако исследовательница отдельно отмечает: обнаруженная структура пока не объясняет, как именно работает DMR. Прямая связь между двумя результатами пока не установлена.

Обе работы могут помочь лучше понять, как управлять пограничным слоем и уменьшать потери энергии при движении воздуха вокруг техники. Однако практическое применение новых результатов ещё впереди: требуются дополнительные исследования, а эффективность DMR необходимо проверить в реальных условиях эксплуатации самолётов, автомобилей и других транспортных средств.

Источник: European Journal of Mechanics / Science Direct