高超音速氣流模擬的驚人結果可以幫助設計更強、更快、更耐用的超音速飛行器。
根據(jù)一項新的研究，仔細觀察高速形狀周圍的氣流會發(fā)現(xiàn)令人驚訝的湍流。該研究結果發(fā)表在《物理評論流體》雜志上，可以為未來高速載具的設計提供參考。
在這項研究中，研究人員使用三維模擬來揭示快速移動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會失去對稱性。
在高超音速下 —— 超過5馬赫，即音速的5倍以上（3836英里/小時或6174公里/小時） —— 飛行器表面周圍的氣流變得復雜而顛簸。大多數(shù)模擬都假設流動在整個錐體周圍是對稱的，但直到最近，對從流線型到湍流過渡的研究只可能在二維中進行，因此我們無法確定三維結構周圍的流動是否存在任何不對稱性。
這一發(fā)現(xiàn)可以幫助工程師設計出更強、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。
伊利諾伊大學厄巴納-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世紀初，實驗是在3D中進行的（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，因為錐形模型周圍沒有足夠的傳感器。這并沒有錯。這就是當時所有的可能?！?/p>
利用德克薩斯高級計算中心的Frontera超級計算機，Karpuzcu和航空航天工程師Deborah Levin模擬了一個錐形物體（通常用作高超音速飛行器的簡化模型）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，你會認為錐體周圍的流動是同心帶，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。該團隊通過運行一個程序來跟蹤每個模擬空氣分子，并捕捉分子之間的碰撞如何影響空氣流動，從而證實了他們的發(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，激波會更靠近表面，并促進這些不穩(wěn)定性。在每種速度下運行模擬都太昂貴了，但我們確實以6馬赫的速度運行了模擬，沒有看到氣流中斷?！?/p>
Karpuzcu說，這些斷裂可能會影響到用于航運、武器和運輸?shù)母叱羲亠w行器的設計考慮，因為工程師需要考慮新觀察到的不連續(xù)性。
如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！
熱門跟貼