动力学|空气动力学家揭示：鱼鳞阵列面比光滑表面阻力小得多科学家

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【动力学|空气动力学家揭示：鱼鳞阵列面比光滑表面阻力小得多】

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我们普遍都会认为，光滑的表面空气阻力最小，所以飞机的表面都是光滑的。然而，英国伦敦皇家工程学院的科学家发表在最近《自然-科学报告》和《实验生物学》杂志上的两篇论文的研究表明：仿鱼鳞阵列的、看起来粗糙的表面反而比光滑表面阻力还要小得多。
减少阻力意味着更快的飞机速度和更低的油耗，对于空气动力学家来说，这是一个重要的研究领域。
研究人员通过仿生学研究发现，鱼鳞阵列在鱼表面的重叠区域产生流体的曲折运动，进而引起周期性的速度调制和斑纹流，消除了托尔米恩-施里希廷波引起的过渡使表面摩擦阻力降低了四分之一以上。
在流体动力学中，托尔米恩-施里希廷波（Tollmien-Schlichtingwave ，简称为T-S波），指在不稳定的例如边界层和通道流的剪切流中产生的沿流向不稳定的波，是层流有边界的剪切流转变为湍流的较常见方式。当某些扰动，例如声音，与前边缘粗糙度相互作用时，便会引发波，这些波在向下游移动时会被缓慢放大，直到最终可能变得足够大，以至于非线性逐渐占据主导地位，并且流体转变为湍流。
通过流体动力学（computationalfluiddynamics ，缩写CFD）计算，研究人员对鲈鱼和鲤鱼进行油流可视化检测与研究。
研究人员提出了一个可行的假设：“计算流体动力学用于研究表面上的流动模式，并揭示了刻度尺的迄今未知的作用，它是一种在边界层中生成规则的平行流速度条纹图案的机制。为了证明它们的存在，在真实的鱼皮上，油流可视化在鲈鱼和鲤鱼上进行，确实以规则的方式确认了它们在其真实体内的存在，并且相对于鳞片阵列的布置与沿仿生表面观察到的布置相同。由此推测了一种可能的过渡延迟机制，这是受先前各种基础过渡研究启发的，其中圆柱粗糙度元件或涡流发生器阵列产生的条纹结构显示出过渡延迟。 ”
研究人员使用德国斯图加特大学特别装备的层流隧道，对光滑平板和仿生平板进行了实验，测试鱼鳞阵列过渡阻力延迟的假设。
他们令人惊讶的研究结果与人们普遍认为粗糙度会增加阻力的认知相反。这些鱼鳞阵列，类似于所谓的“涡流发生器”阵列，极大地增加了基流的稳定性，从而减少了阻力。
在流体动力学中，涡旋（Vortex）是指流体顺着某个方向环绕直线或曲线轴的区域。这样的运动模式即为涡流（Vorticalflow）。涡流发生器（vortexgenerator ，缩写VG）是一种空气动力装置，由通常附在升力表面（例如飞机机翼）或风力涡轮机转子叶片上的小叶片组成，也可以连接到空气动力车辆的某些部分，例如飞机机身或汽车。当机翼或机体相对于空气运动时，会产生涡旋，以提高效率。
在表面上实现这种空气动力学模式的技术，将为大幅降低燃油消耗、减少排放、或未来的零排放飞行开辟道路。
参考：
1.TransitiondelayusingbiomimeticfishscalearraysScientificReports.DOI:10.1038/s41598-020-71434-8
2.StreakformationinflowoverbiomimeticfishscalearraysTheJournalofExperimentalBiology.DOI:10.1242/jeb.205963