“軟尾減阻”述評

田新亮

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院； 海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240)

我們生活在一個充斥著流體的世界，固體和流體瓜分了整個空間.固體出現(xiàn)、移動、變形，其周圍流體也隨之退出、移動、變形.換言之，一個固體的表面決定了它周圍流體的邊界.因此，通過改變物體的外形來改變周圍流體的運動狀態(tài)，進而改變物體所受的流體載荷，是一種最為常見的流動控制方法.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；高鐵列車的流線型車身可以減小其受到的風阻；安裝減渦板即可抑制柱體結(jié)構(gòu)的流激振動.自然界的生物也在默默地闡釋著這個道理.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其流動控制能力；草木通過彎曲軀體或卷曲葉子來減小風阻，使其得以在大風中存活[1]……

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

1 核心思想

“軟尾減阻”的思想樸素而簡單.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？無非是為外部流體提供了一個空間邊界，支撐起外部的流動.既然如此，不妨將物體的外殼換為一個由薄膜構(gòu)成的軟殼，其內(nèi)部包裹一定體積的流體使其充盈.如果這個薄膜可以在外部流動的作用下形成一種流線型的外形，則其原則上等價于一個流線型的固體外殼，物體所受到的阻力也一定會減小，如圖1所示.

2 實驗證明

由于在三維流動中存在多種復雜的流動不穩(wěn)定性問題，首先在二維流動實驗中證明了“軟尾減阻”的存在性[2].實驗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實驗條件.在肥皂膜內(nèi)放置一個長度為2 cm 的平板模擬鈍體，并采用天然單股蠶絲在其后側(cè)圍成一個封閉結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)造了一個二維流場中的“鈍體+薄膜”耦合系統(tǒng).實驗表明，在平板后側(cè)加裝一根長為平板寬度2.3倍的封閉軟細絲，可以實現(xiàn)最大約10%的減阻效果.分析細絲在肥皂膜中的形狀，發(fā)現(xiàn)：當背景流速不變時，隨著細絲長度的增加，整個耦合系統(tǒng)的形狀會逐漸從類平板的鈍體轉(zhuǎn)變?yōu)轭悎A柱的流線體，其阻力也相應減小(見圖2).猜想得到了實驗證明.

3 科學價值

“軟尾減阻”為流動控制打開了新的思路，也引出了一些新的流體力學問題.首先，這是一種更為復雜的流固耦合問題，或許稱為“流-固-流”耦合問題更準確，其中還包括封閉流體的可壓縮性和守恒問題等.換言之，這個問題的獨特之處在于薄膜兩側(cè)的流體域之間沒有物質(zhì)交換卻有動量交換，耦合機制復雜.其次，如何構(gòu)建數(shù)值模型來模擬這個問題？ 目前有一些流固耦合的數(shù)值模擬方法主要針對低雷諾數(shù)流動，尚不能直接用于“軟尾減阻”問題的模擬.此外，在三維流場中，“軟尾減阻”現(xiàn)象是否依然存在以及效果如何，也值得去進一步深入探討.

4 應用前景

從工程應用的角度來看，“軟尾減阻”的流動控制方法具有若干優(yōu)勢：① 只需在被控制對象尾部加裝一個薄膜即可，無需改變物體的主體結(jié)構(gòu)；② 這是一種完全被動的減阻方式，無需消耗任何能量；③ 輕薄的薄膜結(jié)構(gòu)便于安裝和拆卸；④ 以非常小的代價輕松兜起一大團流體，實現(xiàn)對流體的大幅控制.這些優(yōu)勢對于工程流動控制很有吸引力，特別是在一些對結(jié)構(gòu)重量、體積、控制靈活性有特殊要求的應用場合.當然，這必然會遇到一些應用層面的困難.首先是材料的選擇，如何找到一種輕薄且足夠結(jié)實耐用的材料，或許是一個最主要的難題.另外，如何對軟尾進行有效調(diào)控，使其適應不同的流動場景，也是需要解決的難題.希望在不久的將來，“軟尾減阻”在實際流動控制中得到應用.

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