السحب الديناميكي الهوائي هو “حاجز” رئيسي في الطائرات عالية السرعة والسيارات والقطارات السريعة. وذلك لأن التصميم ذو السحب الديناميكي الهوائي الأقل يسمح للطائرة بالتحرك بسرعات أعلى مع طاقة أقل.
عندما تتحرك جسم الطائرة أو السيارة بسرعة عالية، تتشكل على سطحها طبقة رقيقة من الهواء تسمى “الطبقة الحدودية”. تحتوي هذه الطبقة الحدودية على حالتين: التدفق الصفحي، حيث يتدفق الهواء بطريقة منظمة، والتدفق المضطرب، والذي يتضمن الاضطراب.
كلما طالت مدة بقاء الهواء في حالة التدفق الصفحي مع احتكاك منخفض، كلما أصبحت مقاومة الهواء أصغر، ولكن مع زيادة سرعة الهواء، فإنه يتحول إلى التدفق المضطرب. إن المفتاح لتقليل السحب الديناميكي الهوائي هو كيفية تأخير هذا التحول إلى الاضطراب.
لأكثر من 80 عامًا، كان مبدأ “يجب أن يكون سطح الجسم أملسًا” هو الفرضية الأساسية لهندسة الطيران في جميع أنحاء العالم من أجل قمع الانتقال إلى الاضطراب وتقليل السحب الديناميكي الهوائي. استندت هذه الفرضية إلى نتائج دراسة أجراها إيشيرو تاني عام 1940، عالم الديناميكا الهوائية الياباني الذي أظهر كميًا العلاقة بين “خشونة السطح” (مؤشر لحالة السطح المُشكل آليًا) والانتقال المضطرب، بحجة أن خشونة السطح، والتي لم يكن من الممكن تجنبها مع تكنولوجيا التصنيع في ذلك الوقت، حالت دون تحقيق التدفق الصفحي.
ومع ذلك، في عام 1989، أعاد تاني تفسير البيانات التجريبية على الأنابيب ذات الأسطح الخشنة التي حصل عليها مهندس الموائع يوهان نيكولاسي في ثلاثينيات القرن العشرين، مقدمًا منظورًا جديدًا مفاده أن “الخشونة قد لا تؤدي بالضرورة إلى تعزيز التحول المضطرب وزيادة مقاومة السوائل فقط”. ورثت هذه الفكرة مجموعة بحثية بقيادة ياسواكي كوهاما من جامعة توهوكو، وأظهرت تجريبيًا في التسعينيات أن الأسطح الليفية الخشنة، التي تحتوي على شذوذات ليفية دقيقة على سطحها، لها تأثير في تأخير التحول في ظل ظروف معينة.
وقد أعلن فريق البحث نفسه في جامعة توهوكو مؤخرًا عن اكتشاف يعزز هذا الاتجاه بشكل كبير. كانت أيكو ياكينو، الأستاذ المشارك في معهد علوم الموائع بجامعة توهوكو، ومجموعتها البحثية أول من أثبت في العالم أن السحب الديناميكي الهوائي يمكن تقليله بنسبة تصل إلى 43.6 بالمائة ببساطة عن طريق تطبيق الخشونة الجزئية الموزعة (DMR)، وهي خشونة سطحية دقيقة للغاية وغير منتظمة بحيث لا يمكن تمييزها بالعين المجردة.
تختلف هذه التقنية بشكل أساسي عن “عملية النهر (جلد القرش)”، والتي تُعرف باسم تقنية تقليل السحب الديناميكي الهوائي النموذجية. تحاكي عملية النهير الأخاديد الطولية الدقيقة في جلد سمك القرش، ومن خلال نحت الأخاديد بعرض 0.1 مم تقريبًا على طول اتجاه تدفق الهواء، فإنها تحاذي الدوامات التي تحدث بالقرب من سطح جدار مناطق تدفق الهواء المضطرب. من ناحية أخرى، يؤخر DMR التحول من التدفق الصفحي إلى التدفق المضطرب عن طريق المخالفات العشوائية والدقيقة. تعتمد مناطق التدفق التي تؤثر عليها والآليات التي تستخدمها على مفاهيم مختلفة تمامًا.
قياس دقيق في نفق الرياح بدون قضبان دعم
وكان العامل الرئيسي في هذا الإنجاز هو استخدام طريقة مختلفة لتجربة نفق الرياح عن ذي قبل. كانت لتجارب نفق الرياح التقليدية قيود هيكلية: فقد عطلت قضبان الدعم والأسلاك الأساسية لدعم النموذج تدفق الهواء، مما أدى إلى إلغاء التغيرات الدقيقة في مقاومة الهواء الناجمة عن الخشونة على نطاق صغير.
لقد نجح أكبر نظام توازن دعم مغناطيسي بطول متر واحد في العالم (1m-MSBS)، المملوك لمعهد علوم الموائع بجامعة توهوكو، في حل هذه المشكلة بشكل أساسي. يستطيع هذا الجهاز رفع نموذج انسيابي يبلغ طوله حوالي 1.07 مترًا داخل نفق الرياح دون الاتصال باستخدام القوة الكهرومغناطيسية. نظرًا لأنه لا يستخدم أي قضبان دعم أو وسائل أخرى، فإنه يزيل تمامًا التداخل مع تدفق الهواء حول النموذج.
قام ياكينو وفريقه بقياس معامل السحب الإجمالي بدقة على الأسطح الملساء والمغطاة بـ DMR عبر نطاق واسع من أرقام رينولدز (نسبة قوى القصور الذاتي إلى القوى اللزجة المؤثرة على السائل) (Re = 0.35 x 10⁶ إلى 3.6 x 10⁶).
