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，空气流动混乱。

空气在层流状态下停留时间越长，摩擦越小，空气阻力也越小，但随着速度增加，空气会转变为湍流。降低空气动力阻力的关键在于延迟这种转变。

80多年来，航空工程的基本原则认为物体表面必须光滑才能减少空气阻力。这一观点源自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，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，东北大学小浜康明教授领导的研究团队在1990年代证明，具有细纤维状不规则性的纤维粗糙表面在特定条件下能延迟转变。

近期，东北大学流体科学研究所副教授矢木野爱子及其团队首次证明，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——空气动力阻力可减少高达43.6%。

该技术与已知的鲨鱼皮纹理（rivulet）减阻技术根本不同。鲨鱼皮技术通过沿气流方向雕刻约0.1毫米宽的细长沟槽，调整湍流区壁面附近的涡旋排列；而DMR则通过随机微小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。

无支撑杆风洞精密测量

这一突破得益于一种新型风洞方法。传统风洞实验因模型支撑杆和线缆干扰气流，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1米磁悬浮平衡系统（1m-MSBS），该设备利用电磁力使约1.07米长的流线型模型悬浮于风洞中，无需任何支撑杆，彻底消除气流干扰。

矢木野团队在雷诺数范围0.35×10⁶至3.6×10⁶内，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，是预测流动状态（层流或湍流）的关键参数。

实验中使用了两种DMR：由直径38至53微米玻璃珠组成的凸起图案和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高达43.6%。且在最高测量雷诺数3.6×10⁶时，DMR表面阻力系数始终低于光滑表面。

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。压力阻力源于气流在物体后方的分离，摩擦阻力则由空气粘性引起，层流状态下摩擦阻力较低。

为明确DMR作用机制，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分辨率达到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。

分析结果显示，压力阻力的保守上限约为0.00021，与无扰动层流理论值误差不超过1%。而本研究观测到的阻力减少量约为0.001，约为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。数值分析定量确认，DMR减阻的主要原因不是抑制分离，而是直接降低摩擦阻力。

这一原理与高尔夫球表面的凹坑效应截然不同。凹坑通过制造湍流减少压力阻力，抑制气流分离；DMR则延迟层流转变，减少壁面摩擦阻力，机制相反。

相较鲨鱼皮技术的优势

DMR减阻的优势在于其极高的被动性和全方向性。鲨鱼皮技术需沿气流方向精确切割沟槽，而DMR表面粗糙度随机分布，不依赖气流方向。

此外，DMR无需活动部件或电力支持，成本低廉且效果显著。若应用于飞机，有望通过提升燃油效率大幅降低运营成本和二氧化碳排放。

研究团队计划进一步优化DMR的形状和分布密度，拓展适用速度范围。

本文内容最初发表于WIRED日本版，现由日文翻译而成。