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摘要：世界上首次证实，通过在流线型模型表面施加仅为壁面边界层厚度1.0%的微细且不规则的表面粗糙度DMR，从而改变过渡区，空气动力阻力最多可降低43.6%。

关键词：DMR技术、空气阻力、MSBS装置、湍流转捩区

要点

通过在流线型模型表面施加仅为壁面边界层厚度1.0%的微细且不规则的表面粗糙度DMR，在世界上首次证实，通过改变过渡区，空气动力阻力最多可降低43.6%。
这一发现颠覆了流体力学80年来的“前缘表面越光滑，空气阻力越小”的常识。
利用世界最大级别1m磁力支撑天平装置进行精确测量（完全消除了支撑干扰），并结合高精度模拟和油流可视化，证明了这种效果并非分离抑制所致，而是通过抑制壁面摩擦阻力本身实现的。

概要

自20世纪40年代以来，在运输设备的空气动力学设计中，“表面越光滑空气阻力越小”这一常识已被信奉了近80年。研究小组在世界上首次证实：通过在流线型模型表面施加一种肉眼不可见的微细且不规则的粗糙度（DMR: Distributed Micro-Roughness），空气动力阻力最多可降低43.6%。实现这一精密测量的是该研究所拥有的世界最大级别的“1m磁力支撑天平装置（MSBS）”。该装置利用磁力将模型悬浮于空中，完全消除了传统风洞试验中不可避免的由支撑杆引起的气流扰动，使得能够精确检测出微细粗糙度带来的阻力变化。此外，通过高分辨率模拟和油流可视化，研究小组定量地证明了这一显著的阻力降低并非分离抑制所致，而是通过“抑制壁面摩擦阻力本身”实现的。这一成果颠覆了80年来的流体力学常识，成为向下一代节能技术社会应用迈出的重大一步。

研究背景

自20世纪40年代起长达80多年，“表面必须光滑才能抑制湍流转捩并降低空气阻力”这一原则，作为航空工学的基本前提在世界范围内传承至今。1940年，当英国、德国、美国和日本分别独立推进层流机翼研究时，日本航空力学家·谷一郎博士在《层流边界层中允许的粗糙度》（Tani etal.1940）中，定量地论述了表面粗糙度与湍流转捩之间的关系，留下了与当时国际研究比肩的开创性成就。该报告同时也记录了当时制造技术无法避免的表面粗糙度阻碍了层流化实现的现实。

然而，晚年的谷博士在1989年重新解读了德国流体工程师尼古拉兹(Nikuradse) 在20世纪30年代获得的粗糙表面管实验数据（Tani 1989），提出“粗糙度未必只会促进湍流转捩并增加流体阻力”这一新视角。

20世纪90年代，研究小组在平板边界层实验中，证实了纤维粗糙表面在特定条件下具有延迟转捩的效果。通过直接数值模拟（DNS）进行的数值计算深化了这一发现。率先在世界上定量地证明了具有特定分布形态的微小粗糙度（DMR）能够抑制湍流转捩过程中湍动能的增长并降低摩擦阻力。

然而，针对转捩这一微妙现象，在接近实机的形状上进行精密测量并非易事。这是因为支撑模型所用的支撑杆或支撑线会扰乱气流，掩盖微米级粗糙度带来的微小变化。

研究内容

研究小组为精确测量由粗糙度引起的湍流转捩，采用轴对称流线型模型进行了一项实证试验。实验的核心是东北大学流体科学研究所拥有的世界最大级别的1m磁力支撑天平装置（1m-MSBS）（图1）。

图1. 由日本东北大学流体科学研究所的1m磁力支撑天平(1m-MSBS)悬浮的流线型模型。

研究小组利用线圈产生的电磁力，使一个全长约1.07m的流线型模型在风洞内无接触悬浮，并在完全移除支撑部件的状态下，在雷诺数Re=0.35×10⁶～3.6×10⁶范围内精密测量了总阻力系数。

在施加DMR涂层的模型中，湍流转捩开始的临界雷诺数从光滑表面的约1.9×10⁶升高到约2.2×10⁶，在转捩区域实现了最大43.6%的显著阻力减少效果（图2）。研究还发现，无论是DMR1还是DMR2涂层，在所测量的最高雷诺数（3.6×10⁶）之前，其阻力系数始终低于光滑表面。

图2. 光滑表面（Plain）与DMR表面的总阻力系数（CD）的雷诺数依赖性的比较。在过渡区，DMR表现出最大43.6%的阻力降低。

为阐明阻力减少的机制，研究小组将壁面分辨率高达4538万个单元的LES(Large Eddy Simulation：大涡模拟)与风洞中的油流可视化相结合,进行综合分析。在LES分析中，通过不刻意引入人工扰动的层流计算，确立了与理论值（Blasius解）误差在1%以内的压力阻力保守上限值（Cp≈0.00021）。观测到的阻力减少量ΔCD≈0.001约为该上限值的5倍——即使流动分离完全消失，也只能解释观测到的减少量的20%。这从数学上证明了减阻的主因并非流动分离的抑制，而是摩擦阻力的降低。

这与为降低高尔夫球等钝头物体流体阻力而施加的凹坑效果有本质区别。高尔夫球利用表面凹凸主动促进湍流转捩，利用湍流边界层的附着力抑制分离从而降低压力阻力；而DMR则通过延迟转捩来降低摩擦阻力本身，原理完全相反。

未来展望

DMR技术的最大优势在于其极高的“被动性”和“全向性”。此前，“肋状（鲨鱼皮）加工”被认为是一种典型的空气阻力降低技术，但其主要用于整理“湍流区域”的气流，且需要沿气流方向精密加工微细沟槽才能产生效果。相比之下，本研究开发的DMR不仅在流动性质切换的“转捩区域”发挥显著效果，而且由于是随机的微细粗糙度，具有无论流向如何都能发挥效果的划时代特性。

本技术无需可动部件或电力，即可在抑制施工成本的同时获得高减阻效果，因此可实际应用于飞机、汽车、船舶和新干线等所有运输设备。尤其是应用于飞机，有望通过改善燃油效率降低运营成本，并显著减少二氧化碳（CO₂）排放量。

今后，研究小组将进一步优化DMR的形状和分布密度，力求扩大可适用的速度范围（雷诺数范围）。此外，研究小组正通过直接数值计算等方式，对摩擦阻力降低的更详细机制进行分析。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20260512_02web_DMR.pdf

https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11520

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