“軟尾減阻”述評(píng)

田新亮

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院； 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

我們生活在一個(gè)充斥著流體的世界，固體和流體瓜分了整個(gè)空間.固體出現(xiàn)、移動(dòng)、變形，其周圍流體也隨之退出、移動(dòng)、變形.換言之，一個(gè)固體的表面決定了它周圍流體的邊界.因此，通過(guò)改變物體的外形來(lái)改變周圍流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而改變物體所受的流體載荷，是一種最為常見(jiàn)的流動(dòng)控制方法.例如，增加高爾夫球表面的粗糙度，即可減小其空氣阻力使其飛得更遠(yuǎn)；高鐵列車的流線型車身可以減小其受到的風(fēng)阻；安裝減渦板即可抑制柱體結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng).自然界的生物也在默默地闡釋著這個(gè)道理.例如，鯊魚皮表層特殊微結(jié)構(gòu)可以減小水流阻力；鯨魚鰭上的凸起可以增強(qiáng)其流動(dòng)控制能力；草木通過(guò)彎曲軀體或卷曲葉子來(lái)減小風(fēng)阻，使其得以在大風(fēng)中存活[1]……

奇妙的自然現(xiàn)象給人類工程設(shè)計(jì)提供了好的啟示.但是，我們似乎永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到猶如自然界生物般對(duì)周圍流體環(huán)境的適應(yīng)能力.很多時(shí)候，物體結(jié)構(gòu)會(huì)受到其內(nèi)部功能需求的限制，改變物體的外形并不容易.那么，有沒(méi)有不改變物體外形即可進(jìn)行流動(dòng)控制的方法呢？本研究小組提出了“軟尾減阻”并致力于發(fā)展這種新型的流動(dòng)控制方法.

1 核心思想

“軟尾減阻”的思想樸素而簡(jiǎn)單.在多數(shù)情況下，流線型物體所受到的流體阻力比非流線型物體更小，這是一個(gè)眾所周知的結(jié)論.那么，流線型物體的外殼究竟發(fā)揮了什么作用呢？無(wú)非是為外部流體提供了一個(gè)空間邊界，支撐起外部的流動(dòng).既然如此，不妨將物體的外殼換為一個(gè)由薄膜構(gòu)成的軟殼，其內(nèi)部包裹一定體積的流體使其充盈.如果這個(gè)薄膜可以在外部流動(dòng)的作用下形成一種流線型的外形，則其原則上等價(jià)于一個(gè)流線型的固體外殼，物體所受到的阻力也一定會(huì)減小，如圖1所示.

2 實(shí)驗(yàn)證明

由于在三維流動(dòng)中存在多種復(fù)雜的流動(dòng)不穩(wěn)定性問(wèn)題，首先在二維流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中證明了“軟尾減阻”的存在性[2].實(shí)驗(yàn)基于二維直立肥皂膜水洞 “SJTU-FILM”完成.肥皂膜水洞寬度約11 cm，厚度僅1～3 μm，形成了理想的二維流動(dòng)實(shí)驗(yàn)條件.在肥皂膜內(nèi)放置一個(gè)長(zhǎng)度為2 cm 的平板模擬鈍體，并采用天然單股蠶絲在其后側(cè)圍成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)造了一個(gè)二維流場(chǎng)中的“鈍體+薄膜”耦合系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)表明，在平板后側(cè)加裝一根長(zhǎng)為平板寬度2.3倍的封閉軟細(xì)絲，可以實(shí)現(xiàn)最大約10%的減阻效果.分析細(xì)絲在肥皂膜中的形狀，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)背景流速不變時(shí)，隨著細(xì)絲長(zhǎng)度的增加，整個(gè)耦合系統(tǒng)的形狀會(huì)逐漸從類平板的鈍體轉(zhuǎn)變?yōu)轭悎A柱的流線體，其阻力也相應(yīng)減小(見(jiàn)圖2).猜想得到了實(shí)驗(yàn)證明.

3 科學(xué)價(jià)值

“軟尾減阻”為流動(dòng)控制打開了新的思路，也引出了一些新的流體力學(xué)問(wèn)題.首先，這是一種更為復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題，或許稱為“流-固-流”耦合問(wèn)題更準(zhǔn)確，其中還包括封閉流體的可壓縮性和守恒問(wèn)題等.換言之，這個(gè)問(wèn)題的獨(dú)特之處在于薄膜兩側(cè)的流體域之間沒(méi)有物質(zhì)交換卻有動(dòng)量交換，耦合機(jī)制復(fù)雜.其次，如何構(gòu)建數(shù)值模型來(lái)模擬這個(gè)問(wèn)題？ 目前有一些流固耦合的數(shù)值模擬方法主要針對(duì)低雷諾數(shù)流動(dòng)，尚不能直接用于“軟尾減阻”問(wèn)題的模擬.此外，在三維流場(chǎng)中，“軟尾減阻”現(xiàn)象是否依然存在以及效果如何，也值得去進(jìn)一步深入探討.

4 應(yīng)用前景

從工程應(yīng)用的角度來(lái)看，“軟尾減阻”的流動(dòng)控制方法具有若干優(yōu)勢(shì)：① 只需在被控制對(duì)象尾部加裝一個(gè)薄膜即可，無(wú)需改變物體的主體結(jié)構(gòu)；② 這是一種完全被動(dòng)的減阻方式，無(wú)需消耗任何能量；③ 輕薄的薄膜結(jié)構(gòu)便于安裝和拆卸；④ 以非常小的代價(jià)輕松兜起一大團(tuán)流體，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的大幅控制.這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于工程流動(dòng)控制很有吸引力，特別是在一些對(duì)結(jié)構(gòu)重量、體積、控制靈活性有特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)合.當(dāng)然，這必然會(huì)遇到一些應(yīng)用層面的困難.首先是材料的選擇，如何找到一種輕薄且足夠結(jié)實(shí)耐用的材料，或許是一個(gè)最主要的難題.另外，如何對(duì)軟尾進(jìn)行有效調(diào)控，使其適應(yīng)不同的流動(dòng)場(chǎng)景，也是需要解決的難題.希望在不久的將來(lái)，“軟尾減阻”在實(shí)際流動(dòng)控制中得到應(yīng)用.

最后，需要提醒的是，“軟尾減阻”只是我們對(duì)于此類流動(dòng)的一個(gè)簡(jiǎn)略稱呼，其本質(zhì)是一種流動(dòng)控制的新方法，是否還有一些“減阻”之外的獨(dú)特流動(dòng)控制效果，值得期待.