Турбулентность в пограничном слое у поверхности летательного аппарата увеличивает силу трения, и, соответственно, расход топлива, поэтому ведущие научные группы этого направления стараются уменьшить турбулентность и снизить силу трения, которую преодолевает пассажирский самолет. Одним из перспективных способов снижения сопротивления в пограничном слое и, как следствие, уменьшения расхода топлива, является его частичная ламинаризация. Так называется увеличение площади поверхностей самолета, на которых поток остается гладким, слоистым, т.е. ламинарным (laminar – слоистый). Для изучения поведения этого слоя производятся эксперименты со стреловидными крыльями (такими, как на всех пассажирских самолетах) в аэродинамических трубах. В экспериментах используют поверхности крыльев разной степени гладкости и шершавости, изменяют угол атаки (направление воздушного потока).
Уровень шероховатости ученые варьировали от практически гладкого до «наждачного». Но в какой-то момент экспериментаторы пришли к выводу, что шероховатость не должна иметь абстрактную форму – ее можно и нужно структурировать, а поведение воздушного потока решили наблюдать при помощи тепловизионного оборудования, предварительно слегка нагревая крыло для лучшей визуализации. Идея оказалась блестящей – эксперименты подтвердили прямую зависимость поведения турбулентного слоя от структуры шероховатости. По предварительным оценкам данные исследования могут снизить расход топлива на несколько процентов. Снижение трения даже на доли процента считается колоссальным успехом. В масштабах одного лайнера, совершающего регулярные пассажирские рейсы, снижение трение на 0,2% экономит сотни тонн топлива и сокращает вредные выбросы в атмосферу.
Cпециалисты ИТПМ СО РАН при поддержке гранта Российского научного фонда решили использовать для визуализации потоков высокочувствительный тепловизор, который в реальном времени будет записывать, как остывает поверхность предварительно слегка подогретого крыла под разными углами атаки и при разной скорости встречного потока. Эта работа ведется уже два года по гранту Российского научного фонда. Перед учеными стоят две задачи – найти информативный метод изображения ламинарно-турбулентного перехода на экспериментальной модели в аэродинамической трубе и разработать структуру рельефа поверхности, которая отодвинет начало турбулентности как можно дальше от передней кромки крыла.
– Мы научились видеть ламинарно-турбулентный переход при помощи тепловизора и выявлять некие обобщающие зависимости, позволяющие нам прогнозировать поведение потока и положение ламинарно-турбулентного перехода на стреловидных крыльях, – рассказали главный научный сотрудник ИТПМ, член-корреспондент РАН Андрей Бойко и старший научный сотрудник ИТПМ СО РАН Андрей Иванов. – Расчетные модели существует для того, чтобы ученые могли заменить большую часть тяжелых и трудоемких экспериментальных работ, не опасаясь за корректность полученных результатов. Проведенные исследования особенно важны для авиационных компаний, они помогут конструкторам и инженерам оценить эффективность любых планируемых изменений крыльев самолетов. Полученные нами данные можно будет масштабировать до реальных производств.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Journal of Aeronautics, Astronautics and Aviation / AIAA Journal (прим. – Пресс-служба РНФ).
