- distributed micro-roughness (DMR) trái với nguyên lý đã tồn tại hơn 80 năm rằng bề mặt nhẵn sẽ làm giảm lực cản, bằng cách trì hoãn quá trình chuyển tiếp sang dòng chảy rối nhờ độ nhám vi mô ngẫu nhiên
- Nhóm nghiên cứu tại Tohoku University đã chứng minh rằng có thể giảm lực cản tới 43,6% bằng cách đo bề mặt DMR với 1m magnetic support balance system mà không bị nhiễu từ giá đỡ
- DMR dùng trong thí nghiệm gồm mẫu lồi từ các hạt thủy tinh 38~53 micromet và mẫu lõm tạo bằng sandblasting, với chiều cao chỉ bằng 1% độ dày lớp biên
- Mô hình áp dụng DMR có số Reynolds tới hạn tăng từ khoảng 1,9×10⁶ lên 2,2×10⁶, và cho thấy hệ số lực cản thấp hơn bề mặt nhẵn tới mức 3,6×10⁶
- Không giống dimples của bóng golf hay riblets mô phỏng da cá mập, DMR giảm ma sát thành thay vì lực cản áp suất, đồng thời là công nghệ thụ động không phụ thuộc hướng dòng chảy, không cần điện năng hay cơ cấu truyền động
Sự thay đổi nguyên lý giảm lực cản không khí
- Trong máy bay, ô tô và tàu cao tốc, lực cản không khí là rào cản chính đối với việc đạt tốc độ cao hơn và giảm tiêu thụ năng lượng
- Khi một vật thể chuyển động ở tốc độ cao, một lớp không khí mỏng gọi là lớp biên hình thành trên bề mặt, và lớp biên này có thể ở trạng thái chảy tầng có trật tự hoặc chảy rối hỗn loạn
- Lực ma sát càng thấp khi trạng thái chảy tầng được duy trì càng lâu, nhưng khi tốc độ tăng lên, dòng chảy sẽ chuyển sang trạng thái rối
Nguyên lý bề mặt nhẵn kéo dài hơn 80 năm
- Trong kỹ thuật hàng không, nguyên lý rằng muốn giảm lực cản không khí thì bề mặt phải nhẵn đã được chấp nhận suốt hơn 80 năm
- Giả định này dựa trên nghiên cứu do nhà khoa học Nhật Bản Ichiro Tani thực hiện vào năm 1940
- Tani nghiên cứu mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và sự chuyển tiếp sang dòng chảy rối
- Ông cho rằng độ nhám bề mặt khó tránh khỏi với công nghệ chế tạo thời đó đã cản trở việc đạt được dòng chảy tầng
- Năm 1989, Tani diễn giải lại dữ liệu thực nghiệm mà nhà nghiên cứu cơ học chất lưu Johann Nikulase thu được từ các ống có bề mặt nhám vào thập niên 1930
- Điều này cho thấy có thể độ nhám không phải lúc nào cũng thúc đẩy chuyển tiếp sang dòng chảy rối và làm tăng lực cản chất lưu
- Nhóm nghiên cứu của Yasuaki Kohama tại Tohoku University vào những năm 1990 đã chỉ ra rằng bề mặt có gồ ghề dạng sợi cực nhỏ có thể trì hoãn chuyển tiếp trong những điều kiện nhất định
Chứng minh thực nghiệm về distributed micro-roughness (DMR)
- Nhóm của phó giáo sư Aiko Yakino tại Institute of Fluid Science, Tohoku University đã chứng minh rằng chỉ riêng distributed micro-roughness (DMR) — một dạng nhám bề mặt nhỏ và bất quy tắc đến mức khó phân biệt bằng mắt thường — có thể giảm lực cản không khí tới 43,6%
- DMR hoạt động khác với riblets, tức kỹ thuật giảm lực cản hiện có thường được gọi là xử lý “da cá mập”
- Riblets mô phỏng các rãnh dọc siêu nhỏ trên da cá mập
- Chúng tạo các rãnh rộng khoảng 0,1 mm theo hướng dòng khí để sắp xếp lại các xoáy gần thành trong vùng dòng chảy rối
- DMR trì hoãn quá trình chuyển từ chảy tầng sang chảy rối bằng các gồ ghề nhỏ mang tính ngẫu nhiên
- Hai phương pháp này khác nhau cả ở vùng dòng chảy mà chúng tác động lẫn cơ chế hoạt động
Đo trong hầm gió không cần giá đỡ
- Các thí nghiệm hầm gió trước đây có hạn chế là các thanh và dây dùng để đỡ mô hình làm nhiễu loạn dòng khí
- Những thay đổi rất nhỏ về lực cản do độ nhám bề mặt cỡ micro tạo ra có thể bị cấu trúc đỡ che lấp
- 1m magnetic support balance system (1m-MSBS) của Institute of Fluid Science, Tohoku University đã giảm được vấn đề này
- Hệ thống dùng lực điện từ để treo nổi không tiếp xúc một mô hình khí động học dài khoảng 1,07 m trong hầm gió
- Nó loại bỏ nhiễu dòng khí quanh mô hình mà không cần giá đỡ hay phương tiện nâng đỡ nào khác
- Nhóm nghiên cứu đã đo hệ số lực cản tổng của bề mặt nhẵn và bề mặt phủ DMR trong dải số Reynolds từ 0,35×10⁶ đến 3,6×10⁶
- Số Reynolds là tỷ lệ giữa lực quán tính và lực nhớt trong chất lưu
- Đây là chỉ số then chốt để dự đoán dòng chảy là chảy tầng hay chảy rối
Cấu trúc DMR và kết quả đo
- Thí nghiệm sử dụng hai loại DMR
- Mẫu lồi làm từ các hạt thủy tinh đường kính 38~53 micromet
- Mẫu lõm tạo bằng sandblasting
- Chiều cao lớp phủ DMR chỉ bằng 1% độ dày lớp biên, nên theo quan điểm khí động lực học vẫn được xếp vào loại “bề mặt nhẵn”
- Trên mô hình phủ DMR, số Reynolds tới hạn tại đó bắt đầu xuất hiện chuyển tiếp sang dòng chảy rối tăng từ khoảng 1,9×10⁶ lên 2,2×10⁶
- Trong vùng chuyển tiếp, lực cản giảm tối đa tới 43,6%
- Bề mặt áp dụng DMR cho thấy hệ số lực cản thấp hơn bề mặt nhẵn một cách nhất quán cho tới số Reynolds cao nhất được đo là 3,6×10⁶
Cơ chế giảm ma sát thành thay vì lực cản áp suất
- Lực cản không khí được chia chủ yếu thành lực cản áp suất và lực cản ma sát
- Lực cản áp suất phát sinh khi dòng khí tách khỏi bề mặt ở phía sau vật thể
- Lực cản ma sát phát sinh do độ nhớt của không khí chảy trên bề mặt, và giảm khi dòng chảy duy trì trạng thái chảy tầng
- Để phân biệt nguyên nhân của hiệu ứng DMR, nhóm nghiên cứu đã sử dụng large eddy simulation (LES)
- LES là kỹ thuật động lực học chất lưu tính toán, trong đó các xoáy rối quy mô lớn được tính trực tiếp còn các xoáy nhỏ hơn được xấp xỉ bằng mô hình
- LES trong thí nghiệm này sử dụng độ phân giải tối đa 45,38 triệu wall cell
- Phân tích oil flow visualization sử dụng sơn huỳnh quang và các phương pháp tương tự cũng được dùng để quan sát dòng chảy trên bề mặt
- Trong phân tích LES, giới hạn trên bảo thủ của lực cản áp suất trong phép tính chảy tầng không có nhiễu nhân tạo được đặt là Cp≈0.00021
- Giá trị này khớp với giá trị lý thuyết trong sai số dưới 1%
- Mức giảm lực cản quan sát được trong nghiên cứu này, ΔCD≈0.001, lớn gấp khoảng 5 lần giới hạn trên đó
- Ngay cả khi hiện tượng tách dòng phía sau vật thể được loại bỏ hoàn toàn, nó cũng chỉ giải thích được khoảng 20% mức giảm quan sát được
- Yếu tố chính giúp DMR giảm lực cản đã được xác nhận định lượng là sự giảm của chính ma sát thành, chứ không phải ức chế tách dòng
Khác biệt với dimples của bóng golf và xử lý da cá mập
- Nguyên lý DMR khác với hiệu ứng dimples trên bóng golf
- Dimples cố ý làm dòng khí trở nên rối để ức chế tách dòng phía sau và giảm lực cản áp suất
- DMR trì hoãn chuyển tiếp sang dòng chảy rối để giảm ma sát thành thay vì lực cản áp suất
- DMR cũng có những ưu điểm khác với xử lý riblets
- Riblets muốn phát huy hiệu quả thì phải được gia công chính xác theo hướng dòng khí
- DMR có độ nhám bề mặt ngẫu nhiên và không phụ thuộc vào hướng dòng chảy
- Đây là công nghệ thụ động không cần bộ phận chuyển động hay điện năng
Khả năng ứng dụng và bài toán tiếp theo
- Nếu áp dụng DMR cho máy bay, người ta kỳ vọng có thể cải thiện hiệu suất nhiên liệu, từ đó giảm chi phí vận hành và lượng khí thải carbon dioxide
- Nhóm nghiên cứu dự định tiếp tục tối ưu hình dạng và mật độ phân bố của DMR, đồng thời mở rộng dải tốc độ có thể áp dụng
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Ai từng chơi du thuyền đua hoặc đua foil đều biết rằng bề mặt dưới nước có ma sát thấp nhất và dòng chảy tầng tốt nhất khi được chà nhám mịn bằng giấy nhám hạt 1000~1500
Trong không khí thì lại không như vậy, và vì người ta luôn nói cánh máy bay bóng loáng là tốt nhất nên tôi vẫn thấy lạ; giờ xem ra biên dạng cánh cũng được hưởng lợi từ độ nhám vi mô để đạt ma sát thấp nhất
Thật ngạc nhiên khi một điều đơn giản như vậy lại chưa được biết đến trong một lĩnh vực có rất nhiều nghiên cứu và nguồn tài trợ; có lẽ chỉ những nhà nghiên cứu viết bài báo là không biết thôi
Vùng này nằm giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối; dòng chảy tầng thường có lực cản thấp hơn dòng chảy rối khoảng 5 lần và xuất hiện ở số Reynolds khoảng 500.000~1.000.000
Ván lướt sóng có số Reynolds là 10^7 nên hoàn toàn là dòng rối, còn máy bay Cessna vào khoảng 1~5x10^6
Tuy nhiên, quy trình và cách triển khai cụ thể có thể mới hơn hoặc hơi khác trước đây
Chúng ta đang sống trong một xã hội giật gân, nơi cải tiến lặp lại hay đôi khi cả sao chép cũng được mô tả như cách mạng
Nếu bảo tôi chứng minh rằng 737 sẽ dùng ít hơn 40% nhiên liệu thì chuyện đó sẽ không xảy ra, nhưng quy trình tạo lớp vỏ máy bay có thể tốt hơn đôi chút
Cũng quan trọng là không thể chà nhám lại thân máy bay mỗi tuần, và nó phải hoạt động ổn định mà không cần bảo trì
Theo những gì tôi học khi nghiên cứu khí động học tàu lượn RC, không khí có dải “độ nhớt” rộng hơn, được biểu diễn bằng số Reynolds tùy theo kích thước và tốc độ của máy bay
Với bóng golf, máy bay RC, máy bay phản lực thương mại và tiêm kích, khí động học lý tưởng hay các kỹ thuật hữu ích như winglet, dimples có thể khác nhau khá nhiều
Cũng thú vị là hiệu quả của winglet đã được biết từ lâu, nhưng việc nó được áp dụng lên gần như mọi máy bay chở khách lại là chuyện tương đối gần đây
Đó là nỗ lực mô phỏng độ nhám vi mô của da cá mập
Bài báo khoa học gốc ở đây: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mec...
Thật bất ngờ khi điều vốn được chấp nhận từ lâu là “bề mặt càng nhẵn thì lực cản khí động học càng thấp” hóa ra không phải lúc nào cũng đúng
Tôi vẫn luôn nghe rằng lõm golf ball giúp giảm lực cản
Các vết lõm cố ý làm dòng khí chuyển sang rối và ngăn tách dòng phía sau để giảm lực cản áp suất, còn DMR thì trì hoãn chuyển tiếp để giảm chính ma sát thành vách chứ không phải lực cản áp suất
Hai cơ chế này trái ngược nhau
Nhưng tôi vẫn tò mò chênh lệch theo tỷ lệ tương đối là bao nhiêu
Có những cải tiến đáng để theo đuổi, nhưng nếu trên 20% thì còn có thể hiểu được; và nếu ai cũng dùng bóng golf có lõm thì đó chỉ là một thí nghiệm tư duy mà thôi
Vậy thì tại sao bóng bàn lại không có lõm?
Xoáy khí làm vỡ các túi khí lớn để giảm lực cản
Bề mặt tròn như quả bóng thì được lợi từ các vết lõm, còn bề mặt thẳng hơn như mũi tên thì có thể không
Tôi không chắc chính xác, nhưng có vẻ tốc độ cũng ảnh hưởng
Có lẽ trình chặn quảng cáo của tôi đã xung đột với tính năng “đăng ký để đọc”, nhưng cách nó hỏng thì khá buồn cười
Khi mở trang, tôi thấy ảnh đại diện và tiêu đề, bên dưới là mỗi dòng “Subscribe to listen [9 minutes]” và câu kiểu “Lực cản khí động học là rào cản chính với máy bay tốc độ cao, ô tô và tàu cao tốc...”
Sau đó chỉ còn bình luận và liên kết sang bài khác, hoàn toàn không có dấu hiệu nào cho thấy ngoài bản ghi âm còn có thêm nội dung bài viết
Điều này có thể giải thích cho một phần các bình luận “chưa đọc bài”. Dĩ nhiên vốn dĩ chuyện đó vẫn hay xảy ra
Giá mà có một liên kết lưu trữ nào đó thì tốt hơn
Dạo này một số website khá là hung hăng
Đoạn này có vẻ là một lỗi hoặc tự nó giống như một câu chuyện dài
Nội dung nói rằng vào năm 1940, nhà khoa học Nhật Bản Ichiro Tani đã chỉ ra mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và quá trình chuyển sang rối, đồng thời cho rằng độ nhám bề mặt không thể tránh khỏi với công nghệ chế tạo thời đó đã ngăn cản việc đạt được dòng chảy tầng
Nhưng nếu đến năm 1989 Tani lại diễn giải lại dữ liệu thí nghiệm ống có bề mặt nhám của nhà cơ học chất lỏng thập niên 1930 Johann Nikulase và đề xuất rằng “độ nhám không nhất thiết chỉ thúc đẩy chuyển sang rối và làm tăng lực cản chất lỏng”, thì có nghĩa là ông đã xử lý cùng một vấn đề suốt 49 năm
Thực tế ông mất năm 1990 nên điều đó cũng có thể xảy ra thôi
Nếu cách áp dụng đơn giản như phun cát thì có vẻ cũng khá dễ cải hoán cho cả máy bay hiện có
Nếu hoạt động đúng như mô tả thì về bản chất nó gần như là một cải thiện hiệu suất nhiên liệu miễn phí có thể áp dụng ngay trong ngày
Tuy vậy, tôi chưa thấy con số cải thiện ròng thực tế
Tỷ lệ phần trăm mà bài báo nói đến chỉ giới hạn ở “vùng chuyển tiếp”, và dù họ nói các hệ số được cải thiện tổng thể, nhưng về mặt lý thuyết nếu mức cải thiện trên toàn bộ biên dạng cánh gần bằng 0 thì có thể hầu như vô nghĩa
Trong môi trường thực tế, nó có thể dễ bị bít hoặc bị mài mòn hơn, nên cũng có vẻ rất khó duy trì mức suy giảm chất lượng tinh vi như vậy trong một khoảng thời gian nhất định
Để cải tạo một loại máy bay cụ thể, rất có thể sẽ có nhiều rào cản pháp lý trước khi thử nghiệm hay chứng nhận
Điều này đặc biệt đúng với máy bay đã được chứng nhận, và ngay cả trong thế giới máy bay thử nghiệm thì cũng có thể có sự phản đối đối với việc đem phun cát lên cánh của ai đó
Nếu công nghệ này chưa từng được thử thì tôi nghĩ khả năng cao nó sẽ được thử trước ở những nơi như Formula 1
Có một công ty tuyên bố tiết kiệm nhiên liệu tới 4%: https://mako.aero/insights/delta-partners-with-mako-to-test-...
Chỉ riêng lớp phủ đó thôi cũng có thể quyết định nó chịu được biến động nhiệt độ thường ngày trong 10.000 chuyến bay hay chỉ 1.000 chuyến bay, nên phải được thiết kế ngay từ đầu
Cánh máy bay bị xói mòn do tốc độ cao và các hạt trong không khí như bụi, băng, tro núi lửa, mưa/nước
Sự xói mòn này vốn đã là một vấn đề cần giảm thiểu đáng kể, nên việc cố tình làm bề mặt nhám có thể tạo ra kết quả ngoài dự kiến hoặc trở thành vấn đề lớn hơn
Dù vậy, tôi vẫn nghĩ kỹ thuật này đáng để thử
Đây là một phát hiện thú vị, nhưng không phải là lật đổ nguyên lý nền tảng nào cả
Trong các bài giảng động lực học chất lưu, tôi học rằng có lực cản hình dạng, theo cách gọi của bài báo là lực cản áp suất, và lực cản ma sát bề mặt
Hai loại này đánh đổi lẫn nhau tùy theo số Reynolds
Nếu giữ dòng chảy ở trạng thái tầng thì lực cản ma sát bề mặt giảm, nên bề mặt nhẵn có vẻ có lợi, nhưng nếu giữ dòng chảy bám lâu hơn thì có thể giảm lực cản hình dạng bằng các cách như gây nhiễu loạn hoặc bơm khí, đổi lại lực cản ma sát bề mặt sẽ tăng vì dòng rối
Nghiên cứu này đọc lên có vẻ như đã tìm ra một cách khá hay để duy trì dòng chảy tầng đồng thời làm chậm sự tách dòng, nhưng nguyên lý cơ bản không hề thay đổi
“Nhẵn thì lực cản thấp” vốn chưa bao giờ là một quy luật, nó chỉ đúng ở những thang kích thước nhất định
https://archive.ph/DbcqV
https://archive.is/20260524231039/https://www.wired.com/stor...
Việc hệ thống cân bằng tự đỡ có thể dùng lực điện từ để làm mô hình khí động nổi không tiếp xúc bên trong hầm gió là khá ấn tượng
Có lẽ sự thay đổi về cường độ từ trường cần để giữ mẫu thử lơ lửng cũng là một chỉ báo cho sự thay đổi của lực tác dụng lên vật thể