Метаматериалы научили «выключать» следы объектов в воде

Физики разработали оболочку, которая за счет магнитогидродинамических эффектов позволяет полностью подавлять все возмущения потока воды вокруг движущихся объектов. В работе, опубликованной 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.

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.

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 оптическими метаматериалами, 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, действие кавитатора в головной части торпед или патронов для подводной стрельбы. Подобный механизм используют 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