Verden
Utfordrer gammel sannhet om luftmotstand
Et japansk forsøk viser at en overflate ikke nødvendigvis blir mer strømlinjeformet av å være helt glatt.
Publisert
Annonse
SE SISTE NYHETSVIDEO
I flere tiår har ingeniører arbeidet ut fra en klar grunnregel: Strømlinjeformede kjøretøy bør ha så glatte overflater som mulig for å redusere luftmotstanden.
En ny studie fra Tohoku-universitetet i Japan viser at regelen har unntak. Under bestemte forhold fikk en strømlinjeformet modell langt mindre luftmotstand da overflaten ble dekket med ørsmå fordypninger.
På det meste målte forskerne en reduksjon på 43,6 prosent sammenlignet med en glatt modell.
Studien er publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Journal of Fluid Mechanics.
Små groper endret luftstrømmen
Metoden kalles «distributed micro-roughness», forkortet DMR. Overflaten dekkes med svært små ujevnheter som ligger spredt uten et fast mønster.
De var bare noen hundredeler av en millimeter dype. Modellen ville derfor fortsatt ha føltes glatt dersom man strøk hånden over den.
Når luft passerer et fly, en bil eller en annen strømlinjeformet gjenstand, følger et tynt lag av luft overflaten. I starten kan luften bevege seg jevnt og ordnet. Lengre bak kan strømmen brytes opp i små virvler og bli mer urolig.
Annonse
Annonse
Da øker friksjonen mot overflaten, og gjenstanden møter større motstand.
På de best fungerende modellene kom denne overgangen senere enn på den glatte modellen. Dermed ble friksjonen mellom luftstrømmen og overflaten redusert.
Skapte forstyrrelser foran på modellen
Den store reduksjonen kom ikke bare av at forskerne gjorde overflaten mikroskopisk ru.
To smale bånd ble festet nær fronten av modellen. Båndene skapte kontrollerte forstyrrelser i luftstrømmen og gjorde det mulig å undersøke hvordan overflatene påvirket overgangen til mer turbulent luft.
Overgangen til den mer turbulente luftstrømmen kom senere, og dermed holdt friksjonsmotstanden seg lavere. Den største forskjellen ble målt i den delen av forsøket der luftstrømmen var i ferd med å gå fra jevn til mer urolig.
Da var luftmotstanden 43,6 prosent lavere enn på det glatte belegget. Tallet gjelder maksimumsmålingen ved én bestemt kombinasjon av fart og luftstrøm, ikke hele forsøket.
Lot modellen sveve
Testmodellen var rundt 1,07 meter lang og ti centimeter bred. Den var hovedsakelig laget av aluminium og formet for at luften skulle følge overflaten uten store virvler bak.
For å få presise målinger lot forskerne modellen sveve i vindtunnelen ved hjelp av elektromagneter.
Annonse
Vanligvis holdes vindtunnelmodeller på plass med stag eller vaiere, men slike fester påvirker luftstrømmen og kan forstyrre målingene. Den magnetiske løsningen fjernet denne feilkilden.
Forskerne brukte også datasimuleringer og olje på modellens overflate for å undersøke hvorfor motstanden sank. Analysene viste at gevinsten hovedsakelig kom av lavere friksjon langs overflaten, ikke av at formen skapte mindre motstand bakerst på modellen.
Les også: Lover 643 kilometer på lite batteri
Ikke all ruhet virker
Studien viser ikke at en ru overflate alltid er bedre enn en glatt.
Da forskerne gjennomførte forsøk uten de smale båndene foran på modellen, ga én type ru overflate motsatt resultat. Luftstrømmen ble urolig tidligere, slik man normalt forventer når en overflate gjøres ru.
Effekten var avhengig av hvordan ujevnhetene var utformet. Antallet, dybden, formen og avstanden mellom dem påvirket resultatet. Den mest effektive varianten hadde færre, men dypere fordypninger enn en annen overflate som ble testet.
Det er ikke nok å gjøre en overflate tilfeldig ru. Den må tilpasses både formen, farten og luftstrømmen den skal møte.
Lang vei til fly og biler
Mindre luftmotstand kan i teorien redusere energibruken i transport. I omtalen av studien trekkes fly, biler, skip og høyhastighetstog fram som mulige bruksområder.
Annonse
Teknikken må testes på større og mer kompliserte former, ved ulike hastigheter og under skiftende vær- og driftsforhold. Smuss, is, slitasje og skader på overflaten kan også få betydning utenfor laboratoriet.
Resultatet rokker derfor ikke ved all kunnskap om aerodynamikk, men demonstrerer noe interessant:
Den glatteste overflaten gir ikke nødvendigvis den laveste luftmotstanden.