“软尾减阻”述评

田新亮

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院； 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)

我们生活在一个充斥着流体的世界，固体和流体瓜分了整个空间.固体出现、移动、变形，其周围流体也随之退出、移动、变形.换言之，一个固体的表面决定了它周围流体的边界.因此，通过改变物体的外形来改变周围流体的运动状态，进而改变物体所受的流体载荷，是一种最为常见的流动控制方法.例如，增加高尔夫球表面的粗糙度，即可减小其空气阻力使其飞得更远；高铁列车的流线型车身可以减小其受到的风阻；安装减涡板即可抑制柱体结构的流激振动.自然界的生物也在默默地阐释着这个道理.例如，鲨鱼皮表层特殊微结构可以减小水流阻力；鲸鱼鳍上的凸起可以增强其流动控制能力；草木通过弯曲躯体或卷曲叶子来减小风阻，使其得以在大风中存活[1]……

奇妙的自然现象给人类工程设计提供了好的启示.但是，我们似乎永远无法达到犹如自然界生物般对周围流体环境的适应能力.很多时候，物体结构会受到其内部功能需求的限制，改变物体的外形并不容易.那么，有没有不改变物体外形即可进行流动控制的方法呢？本研究小组提出了“软尾减阻”并致力于发展这种新型的流动控制方法.

1 核心思想

“软尾减阻”的思想朴素而简单.在多数情况下，流线型物体所受到的流体阻力比非流线型物体更小，这是一个众所周知的结论.那么，流线型物体的外壳究竟发挥了什么作用呢？无非是为外部流体提供了一个空间边界，支撑起外部的流动.既然如此，不妨将物体的外壳换为一个由薄膜构成的软壳，其内部包裹一定体积的流体使其充盈.如果这个薄膜可以在外部流动的作用下形成一种流线型的外形，则其原则上等价于一个流线型的固体外壳，物体所受到的阻力也一定会减小，如图1所示.

2 实验证明

由于在三维流动中存在多种复杂的流动不稳定性问题，首先在二维流动实验中证明了“软尾减阻”的存在性[2].实验基于二维直立肥皂膜水洞 “SJTU-FILM”完成.肥皂膜水洞宽度约11 cm，厚度仅1～3 μm，形成了理想的二维流动实验条件.在肥皂膜内放置一个长度为2 cm 的平板模拟钝体，并采用天然单股蚕丝在其后侧围成一个封闭结构，成功构造了一个二维流场中的“钝体+薄膜”耦合系统.实验表明，在平板后侧加装一根长为平板宽度2.3倍的封闭软细丝，可以实现最大约10%的减阻效果.分析细丝在肥皂膜中的形状，发现：当背景流速不变时，随着细丝长度的增加，整个耦合系统的形状会逐渐从类平板的钝体转变为类圆柱的流线体，其阻力也相应减小(见图2).猜想得到了实验证明.

3 科学价值

“软尾减阻”为流动控制打开了新的思路，也引出了一些新的流体力学问题.首先，这是一种更为复杂的流固耦合问题，或许称为“流-固-流”耦合问题更准确，其中还包括封闭流体的可压缩性和守恒问题等.换言之，这个问题的独特之处在于薄膜两侧的流体域之间没有物质交换却有动量交换，耦合机制复杂.其次，如何构建数值模型来模拟这个问题？ 目前有一些流固耦合的数值模拟方法主要针对低雷诺数流动，尚不能直接用于“软尾减阻”问题的模拟.此外，在三维流场中，“软尾减阻”现象是否依然存在以及效果如何，也值得去进一步深入探讨.

4 应用前景

从工程应用的角度来看，“软尾减阻”的流动控制方法具有若干优势：① 只需在被控制对象尾部加装一个薄膜即可，无需改变物体的主体结构；② 这是一种完全被动的减阻方式，无需消耗任何能量；③ 轻薄的薄膜结构便于安装和拆卸；④ 以非常小的代价轻松兜起一大团流体，实现对流体的大幅控制.这些优势对于工程流动控制很有吸引力，特别是在一些对结构重量、体积、控制灵活性有特殊要求的应用场合.当然，这必然会遇到一些应用层面的困难.首先是材料的选择，如何找到一种轻薄且足够结实耐用的材料，或许是一个最主要的难题.另外，如何对软尾进行有效调控，使其适应不同的流动场景，也是需要解决的难题.希望在不久的将来，“软尾减阻”在实际流动控制中得到应用.

最后，需要提醒的是，“软尾减阻”只是我们对于此类流动的一个简略称呼，其本质是一种流动控制的新方法，是否还有一些“减阻”之外的独特流动控制效果，值得期待.