Một nguyên lý cơ bản của kỹ thuật hàng không bị lật đổ: Bề mặt nhám có thể giảm lực cản khí động học

Lực cản khí động học luôn là một "rào cản" lớn đối với các phương tiện tốc độ cao như máy bay, ô tô và tàu cao tốc. Thiết kế có lực cản thấp hơn giúp phương tiện di chuyển nhanh hơn mà tiêu tốn ít năng lượng hơn.

Khi một chiếc máy bay hoặc thân xe chuyển động ở tốc độ cao, một lớp không khí mỏng gọi là "lớp biên" sẽ hình thành trên bề mặt của nó. Lớp biên này tồn tại ở hai trạng thái: dòng chảy tầng (laminar flow), nơi không khí chảy trật tự, và dòng chảy rối (turbulent flow), nơi có sự nhiễu động.

Tư duy cũ: Bề mặt càng nhẵn càng tốt

Trong hơn 80 năm qua, nguyên lý "bề mặt của vật thể phải nhẵn" đã là tiền đề cơ bản của kỹ thuật hàng không trên toàn cầu nhằm ngăn chặn sự chuyển đổi sang dòng chảy rối và giảm lực cản khí động học. Tiền đề này dựa trên kết quả nghiên cứu năm 1940 của nhà khí động học người Nhật Ichiro Tani, người đã chứng minh mối quan hệ giữa "độ nhám bề mặt" và sự chuyển đổi sang dòng chảy rối.

Tuy nhiên, vào năm 1989, Tani đã nhìn lại dữ liệu thử nghiệm cũ và đưa ra góc nhìn mới rằng "độ nhám không nhất thiết thúc đẩy sự chuyển đổi rối và tăng lực cản". Kế thừa ý tưởng này, nhóm nghiên cứu của Yasuaki Kohama từ Đại học Tohoku đã chứng minh thực nghiệm vào những năm 1990 rằng các bề mặt có độ nhám dạng sợi có thể làm chậm sự chuyển đổi này trong một số điều kiện nhất định.

Đột phá với công nghệ DMR

Gần đây, cùng nhóm nghiên cứu từ Đại học Tohoku đã công bố một phát hiện mang tính bước tiến. Phó giáo sư Aiko Yakino và nhóm của bà là người đầu tiên trên thế giới chứng minh rằng lực cản khí động học có thể giảm tới 43,6% chỉ bằng cách áp dụng độ nhám vi mô phân tán (DMR) — một loại độ nhám bề mặt tinh tế và bất thường mà mắt thường không thể phân biệt được.

Công nghệ này khác biệt cơ bản với công nghệ "mimic shark skin" (bắt chước da cá mập) vốn được biết đến như một kỹ thuật giảm lực cản điển hình. Trong khi da cá mập sử dụng các rãnh dọc để sắp xếp các xoáy khí, DMR lại làm chậm quá trình chuyển đổi từ dòng chảy tầng sang dòng chảy rối bằng các bất thường ngẫu nhiên và nhỏ li ti.

Đo lường chính xác trong hầm gió

Yếu tố then chốt trong thành tựu này là việc sử dụng phương pháp thử nghiệm hầm gió khác biệt so với trước đây. Các thí nghiệm truyền thống bị hạn chế bởi các thanh đỡ và dây cáp làm gián đoạn dòng khí, triệt tiêu các thay đổi nhỏ về lực cản do độ nhám vi mô gây ra.

Hệ thống cân bằng hỗ trợ từ tính 1 mét (1m-MSBS) — lớn nhất thế giới — thuộc Viện Khoa học Chất lỏng Đại học Tohoku đã giải quyết triệt để vấn đề này. Thiết bị này có thể làm nổi một mô hình có dạng khí động dài khoảng 1,07 m bên trong hầm gió mà không cần tiếp xúc bằng lực điện từ. Nhờ không sử dụng thanh đỡ, nó hoàn toàn loại bỏ sự nhiễu loạn dòng khí xung quanh mô hình.

Nhóm nghiên cứu đã đo lường chính xác hệ số lực cản tổng thể trên các bề mặt nhẵn và được phủ DMR trong một phạm vi rộng số Reynolds (tỷ lệ giữa lực quán tính và lực nhớt tác động lên chất lỏng).

Cơ chế giảm ma sát

Kết quả thử nghiệm cho thấy số Reynolds tới hạn — nơi sự chuyển đổi sang dòng chảy rối bắt đầu — đã tăng từ khoảng 1,9 × 10⁶ lên 2,2 × 10⁶ đối với mô hình phủ DMR. Lực cản đã giảm mạnh tới 43,6% trong vùng chuyển đổi.

Để làm rõ cơ chế, nhóm nghiên cứu đã sử dụng "mô phỏng các xoáy lớn" (LES) kết hợp với việc quan sát dòng chảy bằng sơn huỳnh quang. Phân tích số lượng đã xác nhận rằng yếu tố chính giúp DMR giảm lực cản khí động học không phải là sự ức chế tách dòng (giảm lực cản áp suất), mà là việc giảm chính lực cản ma sát.

Nguyên lý này khác hoàn toàn với hiệu ứng của các vết lõm trên quả bóng golf. Vết lõm trên bóng golf giảm lực cản áp suất bằng cách cố ý làm nhiễu dòng khí để ngăn chặn sự tách dòng phía sau. Ngược lại, DMR làm chậm sự chuyển đổi dòng chảy, từ đó ức chế ma sát bề mặt chứ không phải lực cản áp suất.

Ưu điểm vượt trội và tiềm năng ứng dụng

Điểm mạnh của công nghệ giảm lực cản DMR nằm ở tính thụ động cực cao và tính đa hướng. Để công nghệ bắt chước da cá mập hiệu quả, các rãnh phải được cắt chính xác theo hướng dòng khí. Trong khi đó, DMR có lợi thế lớn là độ nhám bề mặt ngẫu nhiên và không phụ thuộc vào hướng dòng chảy.

Hơn nữa, vì không cần các bộ phận chuyển động hay điện năng, hiệu quả giảm lực cản cao có thể đạt được với chi phí thấp. Nếu DMR được áp dụng cho máy bay, dự kiến sẽ giảm đáng kể chi phí vận hành và lượng khí thải carbon dioxide nhờ cải thiện hiệu suất nhiên liệu.

Nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục tối ưu hóa hình dạng và mật độ phân bố của DMR, cũng như mở rộng phạm vi tốc độ áp dụng trong tương lai.