空気が乱れ出すのは壁から14.3％以内　東北大が未知の流れを発見

東北大学流体科学研究所の焼野藍子准教授が、空気の流れが乱れ出す直前の「壁ぎわ」を、計算機の中で細かく調べた。そこに、これまで知られていなかった細かい流れのかたまりがあった。出てくる場所は、壁から境界層の厚さの14.3％以内だ。

14.3％以内って、どこだよ。論文は10月16日に専門誌 European Journal of Mechanics – B/Fluids に載り、22日に東北大が発表した。

壁から14.3％以内って、どこ

飛行機の翼でも車のボディでも、表面にそって流れる空気は、最初はきれいにそろって流れる。層流という。それが途中から乱れて、渦になる。乱流だ。東北大の発表によると、この切り替わり（遷移）のときに、表面の摩擦抵抗が増える。コトバンクに載る日本大百科全書の説明では、乱流の境界層は壁のそばで速さの差が大きくなり、摩擦抵抗が増えるとされる。

焼野准教授が見つけたのは、その切り替わりの直前に現れるコヒーレント構造だ。壁からの距離は、境界層の厚さの14.3％以内。波長は、その境界層の厚さの0.35〜0.55倍。同じ条件でこれまで報告されてきた構造より、ずっと細かい。流れを横切る向きの速度の揺れが、約45度に傾いているのも特徴だという。

古典的なトルミーン・シュリヒティング波では説明がつかないことも示された。つまり、教科書の筋書きにない構造ということだ。

そして、ここがいちばん効く話。壁ぎわの流れの揺れを抑えてみたら、下流で育つ乱流の渦が弱まった、と発表は書いている。

今の主役は、乱流になったあとの面

で、これが何の役に立つのか。JAXAの説明では、亜音速の旅客機が巡航しているとき、空気抵抗のうち約40％が表面の摩擦だ。しかも、航空機の表面は大部分が乱流境界層になっている。だから今の省エネ技術は、すでに乱れてしまった面の摩擦を削りにいく。

代表がリブレットだ。JAXAの推算では、塗装型リブレットで表面の摩擦を約5％減らせれば、全抵抗は最大で約2％減る。溝の幅は0.1ミリほど。2,000時間以上飛んで、塗膜がもつことも確かめられている。

見ている場所が、まるで違う。片方は、乱流になったあとの広い面。もう片方は、乱流になる前の、壁から14.3％以内という薄いところ。どちらに手を入れるのが得なのかは、まだ決まっていない。

計算の中の話で、実機の数字はまだない

ここで、冷静になりたい。今回の結果は、風洞で模型に風を当てて出たものではない。流れを計算機の中で細かく解く、直接数値計算（DNS）で出たものだ。発表には、6次精度コンパクト差分スキームを使い、目の細かさが違う2種類の格子で同じ結果になることを確かめた、とある。

分かっていないことも、発表に書いてある。この構造がどうやってできるのか。乱流への切り替わりに、どれだけ効いているのか。そこは未解明で、これから検証を進めるという。実際の飛行機や車で抵抗が何％下がるかという数字も、発表にはない。本誌も、その数字は確かめられなかった。

壁ぎわの揺れを抑えたら、下流の渦は弱まった。いまはっきりしているのは、そこまでだ。