高超音速氣流模擬的驚人結(jié)果可以幫助設(shè)計(jì)更強(qiáng)、更快、更耐用的超音速飛行器。
根據(jù)一項(xiàng)新的研究，仔細(xì)觀察高速形狀周圍的氣流會(huì)發(fā)現(xiàn)令人驚訝的湍流。該研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論流體》雜志上，可以為未來高速載具的設(shè)計(jì)提供參考。
在這項(xiàng)研究中，研究人員使用三維模擬來揭示快速移動(dòng)的錐體周圍的意外干擾。研究表明，雙錐體上方的氣流在高速時(shí)會(huì)失去對(duì)稱性。
在高超音速下 —— 超過5馬赫，即音速的5倍以上（3836英里/小時(shí)或6174公里/小時(shí)） —— 飛行器表面周圍的氣流變得復(fù)雜而顛簸。大多數(shù)模擬都假設(shè)流動(dòng)在整個(gè)錐體周圍是對(duì)稱的，但直到最近，對(duì)從流線型到湍流過渡的研究只可能在二維中進(jìn)行，因此我們無法確定三維結(jié)構(gòu)周圍的流動(dòng)是否存在任何不對(duì)稱性。
這一發(fā)現(xiàn)可以幫助工程師設(shè)計(jì)出更強(qiáng)、更快的飛行器，能夠承受高超音速飛行過程中感受到的極端溫度、壓力和振動(dòng)。
伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的航空航天工程師、該研究的合著者Irmak Taylan Karpuzcu在一份聲明中表示：“無論流動(dòng)幾何形狀如何，過渡流本質(zhì)上都是三維的、不穩(wěn)定的。21世紀(jì)初，實(shí)驗(yàn)是在3D中進(jìn)行的（但他們）沒有提供足夠的數(shù)據(jù)來確定任何3D效果或不穩(wěn)定性，因?yàn)殄F形模型周圍沒有足夠的傳感器。這并沒有錯(cuò)。這就是當(dāng)時(shí)所有的可能?！?/p>
利用德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心的Frontera超級(jí)計(jì)算機(jī)，Karpuzcu和航空航天工程師Deborah Levin模擬了一個(gè)錐形物體（通常用作高超音速飛行器的簡(jiǎn)化模型）周圍的氣流在高速下的三維變化。他們研究了單錐和雙錐，這有助于科學(xué)家研究多重沖擊波是如何相互作用的。
Karpuzcu說：“通常情況下，你會(huì)認(rèn)為錐體周圍的流動(dòng)是同心帶，但我們注意到，在單錐體和雙錐體形狀的激波層內(nèi)，流動(dòng)都出現(xiàn)了斷裂?！?/p>
這些斷裂在錐體的頂端尤其普遍。在高速下，激波更靠近錐，將空氣分子擠壓成不穩(wěn)定的層，并放大氣流的不穩(wěn)定性。該團(tuán)隊(duì)通過運(yùn)行一個(gè)程序來跟蹤每個(gè)模擬空氣分子，并捕捉分子之間的碰撞如何影響空氣流動(dòng)，從而證實(shí)了他們的發(fā)現(xiàn)。
干擾似乎也在高速發(fā)展。Karpuzcu說：“隨著馬赫數(shù)的增加，激波會(huì)更靠近表面，并促進(jìn)這些不穩(wěn)定性。在每種速度下運(yùn)行模擬都太昂貴了，但我們確實(shí)以6馬赫的速度運(yùn)行了模擬，沒有看到氣流中斷?！?/p>
Karpuzcu說，這些斷裂可能會(huì)影響到用于航運(yùn)、武器和運(yùn)輸?shù)母叱羲亠w行器的設(shè)計(jì)考慮，因?yàn)楣こ處熜枰紤]新觀察到的不連續(xù)性。
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