«Прорыв» в аэродинамике: узоры из углублений могут изменить будущее транспорта и энергетики

Узоры из углублений могут появиться в ближайшем будущем на ракетах, самолетах, дронах, кораблях и гоночных автомобилях. А все потому, что они способны значительно улучшить аэродинамические характеристики.

Ученые из Сандийской лаборатории Министерства энергетики США в сотрудничестве с Университетом Нью-Мексико сделали прорыв в аэродинамике. Они научились точно просчитывать, как значительно улучшить обтекаемость объекта и снизить сопротивление его движению в воздухе и воде благодаря нанесению на поверхность объекта узора из углублений определенного размера и формы.

Вдохновение природой и точные математические расчеты

Инженер-ядерщик Сал Родригес из Сандийской лаборатории получил вдохновение для этого изобретения во время наблюдения за облаками. Он занимался математическими расчётами турбулентных течений и заметил облако, напоминающее поток с пограничным слоем внутри. Появилась мысль создать набор уравнений, которые позволят рассчитать параметры углублений для оптимизации аэродинамики любого объекта.

Сал Родригес с носовой частью ракеты, на которую нанесен узор из углублений

Как это работает?

Ученые разработали прорывную компьютерную программу, которая анализирует геометрию объекта, скорость его движения и свойства окружающей среды (воздуха, воды и т.д.). На основе этих данных она генерирует оптимальный рисунок углублений, который улучшает аэродинамические характеристики объекта.

Движение красителя по пластиковым бусинам показывает, как узоры из углублений ускоряют поток (видео Крейга Фритца)

Успешные испытания и перспективы

Первые испытания компьютерной программы проводились на мяче для гольфа и результаты впечатлили – аэродинамические характеристики улучшились на 10% по сравнению с коммерческим образцом, на котором тоже были углубления, только "неоптимизированные". В дальнейшем программу успешно применили для расчета углублений на поршнях двигателей, лопастях ветрогенераторов и даже на капоте гоночного автомобиля Mustang.

Компьютерное показывает, как углубления на капоте автомобиля влияют на сопротивление (из исследования Сала Родригеса)

Одним из последних впечатляющих экспериментов стало нанесение углублений на носовой обтекатель ракеты. Испытания показали снижение сопротивления в среднем на 20,5%, максимально – до 39,1% по сравнению с гладким обтекателем.

Родригес испытывает ракету с оптимизированным носовым обтекателем вместе с командой из Университета Нью-Мексико

Контролируемый хаос

По словам Родригеса, углубления создают особый поток, который генерирует лишь небольшие и неупорядоченные вихри. Это позволяет уменьшить размер пограничного слоя и перераспределить энергию турбулентности, что в итоге снижает сопротивление.

Углубления на этом мяче для гольфа можно оптимизировать для улучшения аэродинамики

Как углубления улучшают аэродинамичекие качества мяча

Больше, чем просто аэродинамика

Кроме улучшения аэродинамических характеристик, углубления значительно улучшают теплопередачу.

В одном из экспериментов ученые использовали два ящика с тремя сторонами из оргстекла и четвертой стороной из алюминиевой пластины. В первом ящике платина была гладкая, во втором – с углублениями. Затем ящики наполнили водой и подключили к нагревателю. По гладкой пластине вода двигалась плавно, тогда по пластине с углублениями – турбулентно (с хаотичными изменениями давления и скорости потока). При турбулентном движении вода перемешивалась сильнее, скорость потока была больше. Кроме того, площадь контакта с водой у пластины с углублениями тоже была немного больше. В итоге благодаря небольшим углублениям теплопередача улучшилась в 2,4 раза.

Где можно применять узоры из углублений

Разработка Сандийской лаборатории перспективна для таких отраслей, как:

• Транспорт. Улучшение аэродинамических характеристик автомобилей, самолетов, поездов и других транспортных средств позволит снизить расход топлива и выбросы вредных веществ.
• Оборона. Ракеты, снаряды, дроны, торпеды при улучшении аэродинамических характеристик станут двигаться дальше и быстрее.
• Энергетика. Изобретение ученых может повысить эффективность ветряных генераторов, солнечных водонагревателей.
• Двигателестроение. Например, оптимизация аэродинамических характеристик впускных и выхлопных систем поршневых двигателей может привести к улучшению экологических характеристик.

Сал Родригес показывает носовую часть экспериментальной ракеты с узором из углублений

Будущее за оптимизированными углублениями

Разработка ученых из Сандийской лаборатории может изменить будущее транспорта и энергетики. Ведь улучшение аэродинамических характеристик положительно влияет на энергоэффективность и экологичность транспортных средств, поршневых двигателей, ветряных турбин, солнечных водонагревателей и многой другой техники.

Автор материала: Vlad Falcon

Статья подготовлена на основе материалов Сандийской лаборатории и Американского общества инженеров-механиков. Она носит новостной характер и не отображает мнение автора.

Заявки на конструкторские и технологические работы размещайте здесь.

Получить консультацию по конструкторским и технологическим услугам можно по ☎ +7 (495) 127-72-03

Приглашаем в наш телеграм-канал

С уважением, команда «Комплекс КАД»