Физики разработали оболочку, которая за счет магнитогидродинамических эффектов позволяет полностью подавлять все возмущения потока воды вокруг движущихся объектов. В работе, в Physical Review E, ученые также предложили способ создания такого устройства, которое может оказаться полезным для кораблей и самолетов.
Для снижения гидродинамического сопротивления вокруг движущегося объекта обычно пытаются создать воздушную прослойку. Если кроме снижения сопротивления необходимо не нарушить ламинарность потока и подавить возмущения жидкости (то есть сделать так, чтобы движущееся тело не оставляло после себя никакого следа, например, в целях маскировки), требуется немного другой механизм. Движущееся тело за счет дополнительных сил разгоняет тонкий слой жидкости вокруг себя, приравнивая ускорение жидкости к ускорению самого тела. Однако изначальная концепция работы такого устройства, основанная на сложной системе насосов, оказалась довольно сложной для практической реализации.
Дин Калвер (Dean Culver) и Ярослав Уржумов (Yaroslav Urzhumov) из Университета Дьюка в США предложили вместо чисто гидродинамического механизма использовать для воздействия на насыщенную ионами жидкость электромагнитные поля. С помощью численного моделирования ученые рассмотрели движение в проводящей жидкости цилиндра, покрытого дополнительным магнитогидродинамическим слоем. Этот слой состоял из массива отдельных элементов, которые за счет силы Лоренца оказывали воздействие на заряженные частицы в жидкости и таким образом придавали ей дополнительное ускорение.
Схема рассматриваемого цилиндра во внешнем потоке. D. Culver and Y. Urzhumov / Physical Review E, 2017
Описав эту систему уравнениями, связывающими гидродинамические и электромагнитные компоненты силы, физики смогли определить такие конфигурации магнитогидродинамического слоя вокруг цилиндра, которые при различных скоростях практически полностью подавляют возмущения в жидкости. Такие материалы оказались эффективны в довольно большом диапазоне скоростей и позволяют сократить возмущение в следе за телом почти в 10 раз.
При довольно небольших скоростях удается полностью погасить возмущения, так что за пределами внешнего магнитогидродинамического слоя возмущения абсолютно незаметны. Кроме того, поток вокруг тела становится полностью ламинарным, и все турбулентности тоже подавляются. При больших скоростях, некоторые возмущения распространяются вокруг тела на небольшое расстояние, но при этом при изменении скорости для подавления возмущений не нужно перестраивать конфигурацию системы: одна и та же конфигурация работает в широком диапазоне скоростей, если скорость достаточно большая.
Результаты компьютерного моделирования течения вокруг обычного цилиндра при очень высоких скоростях тела (слева) и цилиндра с «невозмущающим» покрытием (справа). В центре представлены линии электрического поля (сверху) и напряженность магнитного поля (снизу) вокруг цилиндра. D. Culver and Y. Urzhumov / Physical Review E, 2017
Кроме того, в работе авторы исследования предложили способ, как такое устройство можно создать на практике. Предложенные системы авторы работы назвали активными магнитогидродинамическими метаматериалы (по аналогии с , которые влияют на оптические свойства окружающей среды с помощью своей структуры, а не химического состава).
Для того, чтобы снизить гидродинамическое сопротивление объектов обычно стараются снизить долю контакта самого движущегося объекта с жидкостью. Одним из способов сделать это — создание вокруг объекта прослойки газа. На этом принципе основано, например, в головной части торпед или патронов для подводной стрельбы. Подобный механизм и объекты с супергидрофобным покрытием на поверхности. Однако в любом из этих случаев движущееся тело не позволяет избавиться от возмущения потока жидкости или газа вокруг себя.
Александр Дубов
© 2009 Технополис завтра
Перепечатка материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши правила строже этих, пожалуйста, пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.
