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粗糙的表面可以抑制紊流

烟雾显示出来的图像:在机翼表面的某些部分加上粗糙的纹理,机翼放置在保持有从左到右流动着的空气流的风洞当中。空气流过这种加上了粗糙纹理的机翼的时候是稳定的,这在图的上半部分显示出来;反之,当没有这种粗糙纹理的时候空气的流动就是紊乱的,这在图的下半部分显示出来。

流体流动的时候常常出现紊流(Turbulence),这种螺旋状的紊流游移不定,没有固定的路线,会增加流体的阻力。而飞机制造者们竭尽全力消除飞机上粗糙的表面,因为它们会增加风的阻力。但是,现在研究者们观察到仔细地选择粗糙的表面实际上是可以抑制紊流的出现的,至少在实验室里这已经被证实了。这个结果发表在2006年2月17日的《物理学评论快报》(Physical Review Letters)上。如果他们能够在现实的世界当中成功地应用这种效应,这将会每年节省几十亿美元的燃料费用。

工程师们将一个物体在流体(比如水)中移动时受到的阻力(Drag Force)分为两类:钝物(比如篮球)受到的主要是“压差阻力”(Pressure Drag),这类阻力来自于迎面来的空气和位于物体后部被遮挡部分的空气压力之差;与此形成对照的是,一个长的流线型物体(比如说飞机的机翼)受到的主要是“摩擦阻力”(Friction Drag),这种阻力由于机翼的表面掠过下方流动较慢的空气而产生。

当机翼在空气中缓慢地移动的时候,空气环绕着它缓缓流过,就像勺子在蜂蜜中慢慢地搅动一样。但是在高速的时候,空气的流动就紊乱了。当空气沿着机翼向后流动的时候,微小的扰动就被放大了,最后在离机翼最前端一段距离的时候变成紊流。紊流可以将摩擦阻力增大十倍以上。来自位于斯德哥尔摩(Stockholm)的皇家工学院(KTH: the Royal Institute of Techonology)的Jens Fransson及其同事现在向人们展示了如何迫使这种向紊流的转变推迟,使之在机翼更靠后的地方,甚至完全是在机翼的后面才形成。

研究者们并没有在空气当中拖动机翼,而是将机翼放在风洞(Wind Tunnel)当中,将空气吹过几米宽的长方形平板,并注入一些烟雾使得更加容易观察空气的流动。他们通过产生一些微小的压力振动来触发紊流。正如他们所预期的那样,压力的振动随着空气沿着平板流动而不断地被放大,最终在距离机翼最前端大概一米的地方变成了紊流。

这个小组将一些药丸形状的盘子平坦地贴在离机翼最前端大概八厘米的机翼表面。这些盘子突出机翼表面大概只有1.4毫米,但是已经能够在空气当中导致丝带状的螺旋流动。这种形式的气流能够使原先的紊流出现的位置退后超过一米的距离。

这种设计是基于先前的一个理论预言:回旋流能够抑制气压振荡演变成为紊流。根据这种理论,这种回旋流能够促进空气的粘滞效应,而粘滞效应能够抑制振荡。这就像蜂蜜能够导致振荡的衰减(比如放置其中的钟摆)。

Fransson告诉我们:“自从二十世纪五十年代中期,粗糙这个因素一直被认为会触发向紊流的转变”。但是“我们加入了粗糙这个因素,得到的结果却是延迟了向紊流的转变,这是一个非常新颖的现象”。他还提出了一个类似的方法,这种方法有可能会抑制很多情形(从激光到熔融的等离子体)下都会出现的混沌现象(Chaotic Behavior)。

来自位于俄亥俄州(Ohio)克里夫兰(Cleveland)市的Case Western Reserve University的Edward White评论说:“真正美妙的是这是一种被动的策略”,这是相对于积极地消除已经形成的紊流的复杂方案而言的。他同时提醒人们警惕,这么理想的实验结果可能并没有描述真实世界中发生的事情。布朗大学(Brown University)的George Karniadakis也同意这个新的结果是一个“很好的贡献”,但是他同时提出了疑问:这些添加上去的盘子会导致额外的压差阻力,这些额外的压差阻力有可能大于被减小了的那部分阻力,从而净阻力增加。Fransson表示这些盘子仅仅增加了百分之三点五的压差阻力,但是这个小组并没有测量总的拖拽力。




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