当飞机或汽车高速行驶时，其表面会形成一层称为边界层的薄空气层。边界层有两种状态：层流，即空气有序流动；以及湍流，即空气流动混乱。

空气保持在低摩擦的层流状态的时间越长，空气阻力越小，但随着速度增加，空气会转变为湍流。减少空气动力阻力的关键在于延迟这种向湍流的转变。

80多年来，航空工程的基本原则之一是物体表面必须保持光滑，以减少空气阻力。这一观点源于1940年日本科学家谷一郎的研究，他证明了表面粗糙度（加工表面状态的指标）与湍流转变的关系，并认为当时制造技术无法避免的表面粗糙度阻碍了层流的实现。

然而，1989年，谷一郎重新解读了1930年代流体工程师Johann Nikulase关于粗糙管道的实验数据，提出“粗糙度不一定只促进湍流转变和增加流体阻力”。继承这一思想，东北大学的小浜康明教授领导的研究团队在1990年代证明，具有细纤维不规则性的纤维状粗糙表面在特定条件下能延迟转变。

最近，东北大学流体科学研究所副教授矢野爱子及其团队取得了重大突破，首次证明仅通过施加分布式微观粗糙度（DMR）——一种肉眼无法分辨的极细微不规则表面——即可将空气动力阻力降低高达43.6%。

该技术与已知的鲨鱼皮纹理（rivulet）减阻技术本质不同。鲨鱼皮纹理通过沿气流方向刻划约0.1毫米宽的细长沟槽，调整湍流区壁面附近的涡流排列。而DMR则通过随机且极细微的不规则性延缓层流向湍流的转变，作用区域和机制完全不同。

无支撑杆的精密风洞测量

这一成果的关键在于采用了新型风洞测试方法。传统风洞实验因模型支撑杆和拉线干扰气流，无法捕捉微观粗糙度引起的细微阻力变化。

东北大学流体科学研究所拥有全球最大的一米磁悬浮平衡系统（1m-MSBS），该设备利用电磁力使约1.07米长的流线型模型在风洞中悬浮，无需任何支撑杆，彻底消除对气流的干扰。

矢野教授团队在雷诺数范围从0.35×10⁶到3.6×10⁶的条件下，精确测量了光滑表面与DMR涂层表面的总阻力系数。雷诺数是流体惯性力与粘性力的比值，是预测流体流动状态（层流或湍流）的关键参数。

实验中使用了两种DMR：一种是直径38至53微米的玻璃珠凸起图案，另一种是通过喷砂形成的凹陷图案。DMR涂层高度仅为边界层厚度的1%，从流体动力学角度仍属于“光滑表面”。

结果显示，DMR涂层模型的湍流转变临界雷诺数从约1.9×10⁶提升至2.2×10⁶，转变区阻力显著降低，最高达43.6%。此外，DMR表面在整个测量雷诺数范围内阻力系数均低于光滑表面。

抑制摩擦阻力的机制

空气阻力主要分为压力阻力和摩擦阻力。压力阻力由气流在物体后方分离产生，摩擦阻力则由空气粘性造成，层流状态下摩擦阻力较低。

为明确DMR减阻的主要原因，研究团队采用大涡模拟（LES）数值流体动力学方法，直接计算大尺度湍流涡旋，模型近似小尺度涡旋。LES分辨率高达4538万个壁面单元，并结合荧光涂料进行油流可视化，观察气流状态。

研究表明，压力阻力的保守上限约为0.00021，与理论计算误差不足1%。而本研究中观察到的阻力减少量约为0.001，是压力阻力上限的五倍。即使完全消除尾部分离，也只能解释约20%的阻力降低。

因此，数值分析定量确认，DMR减阻的主要机制不是减少分离，而是直接降低摩擦阻力。这与高尔夫球表面的凹坑机制截然不同，后者通过制造湍流减少压力阻力，而DMR则通过延迟转变抑制壁面摩擦阻力，两者机制相反。

相较鲨鱼皮纹理的优势

DMR减阻的优势在于其极高的被动性和全方向性。鲨鱼皮纹理需沿气流方向精确刻槽，而DMR表面粗糙度随机分布，不依赖流向。

此外，DMR无需活动部件或电力支持，成本低廉，若应用于飞机，有望显著降低运营成本和碳排放，提升燃油效率。

研究团队计划进一步优化DMR的形状和分布密度，拓展其适用速度范围。

本文最初发表于WIRED日本版，已由日文翻译而成。