Вчені, що знизили опір на 43,6%, виявили невідому структуру повітряного потоку

Японська дослідниця Айко Якено, чия команда експериментально знизила аеродинамічний опір обтічної моделі на 43,6% за допомогою мікроскопічної шорсткості, повідомила про нове відкриття. Вчені виявили раніше не описану структуру повітряного потоку біля поверхні, яка може допомогти зрозуміти, як ламінарний рух переходить у турбулентний.

Результати нового дослідження опублікували в журналі European Journal of Mechanics – B/Fluids. Воно продовжує роботу Якено над фізикою прикордонного шару — тонкої області повітря безпосередньо біля поверхні твердого тіла.

Невідома структура виникає біля стінки

Дослідниця з Інституту наук про рідини Університету Тохоку вивчала перехід потоку від ламінарного, впорядкованого руху до турбулентного, що супроводжується хаотичними коливаннями. Для цього вона використала пряме чисельне моделювання — метод, який дає змогу розраховувати рух рідини або газу без застосування моделей турбулентності. Розрахунки показали, що безпосередньо біля стінки виникає раніше не описана впорядкована структура потоку. Її характерний масштаб становить лише 0,35–0,55 товщини прикордонного шару, а коливання швидкості формують діагональний малюнок під кутом приблизно 45°.

Структура зосереджена поблизу поверхні й значно менша за ті, які раніше описували для аналогічних умов переходу до турбулентності. Щоб перевірити, чи має це явище фізичне значення, Якено змінила параметри розрахунків, зокрема швидкість потоку та умови збурення. Характерні масштаб і напрямок структури зберігалися. Це свідчить про те, що вона не є випадковим артефактом чисельного моделювання.

Пригнічення коливань послабило вихори

Дослідниця також перевірила, що станеться, якщо чисельно приглушити коливання в тонкому шарі повітря біля поверхні. Після цього вихрові структури, які розвивалися далі за потоком, стали слабшими. Результат указує, що рух поблизу стінки може впливати на подальший розвиток турбулентності.

Однак авторка поки не стверджує, що знайдена структура є безпосередньою причиною переходу до турбулентності. Механізм її виникнення потребує подальшого дослідження. Робота ґрунтується на чисельному моделюванні, а не на експериментальному спостереженні цього явища.

Чи пояснює це зниження опору на 43,6%?

У травні 2026 року команда Якено опублікувала інше дослідження, в якому експериментально показала, що спеціальна мікроскопічна текстура поверхні може зменшувати аеродинамічний опір обтічної моделі. Для цього застосували Distributed Micro-Roughness (DMR) — нерегулярно розподілені мікронні нерівності. У перехідному режимі потоку зниження опору сягнуло 43,6%.

Для точних вимірювань модель утримували в повітрі за допомогою магнітної системи, яка усувала вплив механічних опор на результати. Комп’ютерне моделювання та візуалізація потоку показали, що ефект пов’язаний передусім зі зменшенням тертя повітря об поверхню, а не з відривом потоку — механізмом, важливим, наприклад, для ямок на м’ячах для гольфу.

Мікронні нерівності зменшують тертя

Нове відкриття стосується тієї самої фізичної проблеми — поведінки повітря біля поверхні та переходу до турбулентності. Проте дослідниця окремо наголошує: знайдена структура ще не пояснює, як саме працює DMR. Прямий зв’язок між двома результатами поки не встановлено.

Обидві роботи можуть допомогти краще зрозуміти, як керувати прикордонним шаром і зменшувати втрати енергії під час руху повітря навколо техніки. Однак практичне застосування нових результатів ще попереду: потрібні додаткові дослідження, а ефективність DMR необхідно перевірити в реальних умовах експлуатації літаків, автомобілів та інших транспортних засобів.

Джерело: European Journal of Mechanics / Science Direct