Аннотация:
Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере предложили новый метод, который использует крошечные вибрации внутри материалов для регулирования воздушного потока. В будущем ожидается снижение турбулентности и сопротивления без изменения формы самолета, тем самым повысится топливная экономичность.
Пассажирский самолет может летать со скоростью около 640 миль в час. Воздух у поверхности крыла создает турбулентный пограничный слой, что увеличивает сопротивление полета, снижает эффективность полета и приводит к увеличению расхода топлива. Коммерческий самолет может потреблять более 10 000 галлонов топлива во время полета по пересеченной местности, поэтому даже небольшое повышение эффективности может привести к значительной экономии затрат для авиакомпаний.
Махмуд И. Хуссейн, профессор кафедры аэрокосмических инженерных наук Университета Колорадо в Боулдере, и его команда исследуют другой путь: вместо того, чтобы просто изменять внешние контуры самолета для контроля сопротивления, они могут размещать синтетические материалы под поверхностью и использовать микроскопические вибрации, создаваемые этими материалами, для воздействия на воздушный поток, тем самым уменьшая турбулентность и улучшая экономию топлива.
Команда Хуссейна недавно опубликовала статьи в журнале Physical Review
Хусейн сказал, что с момента зарождения авиационной промышленности основной идеей управления сопротивлением было изменение формы самолета. Теперь исследователи предложили новую концепцию: использовать материалы, которые динамически взаимодействуют с воздушным потоком, чтобы влиять на поверхностное сопротивление, беспрецедентно улучшая характеристики самолета. Помимо своей должности на факультете аэрокосмических инженерных наук, Хусейн одновременно работает на факультете физики и участвует в программе «Материаловедение и инженерия».
Сердцем этого исследования являются «фононы». Фононы — это не макроскопические движения всей структуры, а мельчайшие колебания, происходящие внутри материала. Хотя эти движения невелики по величине, если ими можно управлять, это может изменить способ взаимодействия поверхности материала с потоком воздуха.
Исследование этих внутренних вибраций называется фононикой. Хусейн участвовал в развитии этой области более двух десятилетий и помог основать серию конференций «Phononics 20xx» в 2011 году, которые теперь стали важной международной платформой обмена для исследователей в этой области.
В 2015 году Хусейн предложил концепцию «фононной подповерхности», которая заключается в размещении специально разработанных структур под поверхностью материалов, чтобы они могли пассивно контролировать вибрации на границе между поверхностью и жидкостью. В прошлом конструкции, разработанные его командой и другими исследователями, часто функционировали только на одной частоте.
Последние исследования показывают, что преобразование фононной подповерхности в спиральную структуру может распространить ее эффект на диапазон частот. Это явление, известное как «суперрезонанс», решает главное ограничение более ранних разработок: оно позволяет конструкции взаимодействовать с более широким диапазоном частотных составляющих, встречающихся в реальной турбулентности.
Хусейн рассказал, что изначально команда могла обрабатывать только одну частоту, но позже захотела охватить более широкий диапазон частот, потому что именно так в реальном мире создается турбулентность таким широкополосным способом. Сегодня эта цель достигнута. Спиральная фононная структура преодолевает давние ограничения стратегий управления ламинарным потоком.
«Интерференция без рассеяния» решает еще одну проблему. Вместо того, чтобы просто размещать фононную подповерхность в одном месте, исследователи могут расположить несколько структур в виде сетки или решетки, распространяя свое влияние после воздушного потока на большую площадь, например, на крыло самолета или поверхность фюзеляжа гиперзвукового транспортного средства.
Хусейн заявил, что такой подход обеспечивает эффективный контроль на последующих этапах. Контроль за нисходящим потоком и контроль за широкополосной связью были двумя ключевыми ограничениями этой технологии с момента ее внедрения более десяти лет назад, и теперь команда решила обе эти проблемы.
Эти два достижения дополняют друг друга, отметил Адам Харрис, аспирант в области материаловедения и инженерии в лаборатории Хусейна и соавтор обеих статей. Интерференция без рассеяния позволяет ослабить пространственное поведение неустойчивых полей потока за фононной поверхностью; Суперрезонанс расширяет частотный диапазон, в котором управление может быть эффективным. Сочетание этих двух факторов приближает исходную концепцию фононной подповерхности к гибкости, необходимой в реальных средах потока.
В настоящее время эти результаты в основном получены в результате компьютерных исследований, но фононные подповерхности уже не полностью находятся на теоретической стадии. Исследовательские группы по всему миру создали рабочие физические прототипы и приступили к испытаниям в аэродинамической трубе.
Хусейн сказал, что команда надеется сломать традиционное представление о том, что «управление потоком может зависеть только от изменения формы открытой поверхности или, в последние годы, от активных исполнительных механизмов». Используя фононные подповерхности, крыло или фюзеляж сохраняют свою первоначальную форму, плоскостность и пассивные свойства, в то время как материал под ним предназначен для целенаправленного взаимодействия с воздушным потоком.
Хотя текущие исследования в первую очередь ориентированы на аэрокосмическую область, потенциальное использование суперрезонанса и помех без рассеяния не ограничивается самолетами. Хусейн считает, что корабли, трубопроводы, турбинное оборудование и любые системы, подверженные турбулентности, могут выиграть; на самом деле, обе идеи могут найти применение и помимо управления потоком данных.
Соответствующие исследования также затрагивают проблемы гиперзвукового потока и поддерживаются пятилетней междисциплинарной университетской исследовательской программой Управления военно-морских исследований Министерства обороны США стоимостью 7,5 миллионов долларов США.
Комментарии