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研究证实了超声速湍流中的发夹涡

在超音速飞行的火箭后面的低压区域发生的湍流是复杂的,而且还没有被很好地理解。在这类第一次实验研究中,伊利诺伊大学香槟分校的研究人员通过证明超声速分离气流中发夹涡的存在,帮助缩小了对这些气流的认识差距。

“在上游的流体中存在一种不稳定,称为开尔文-赫姆霍兹不稳定,即两个区域的流体通过彼此,其中一个移动的速度比另一个快,流体变得不稳定并流动。当它飞行时,它开始快速旋转,漩涡在对流的过程中会变成不同的形状,”航空航天工程系博士生Branden Kirchner说。涡旋开始时大致沿着一条直线拉长。然后,当它进一步向下游移动时,它进化并变形成这种连贯的发夹形状。过去有计算机模拟这种类型的气流,预测这些结构的存在。但如果没有实验测量,你就无法确认它们的存在。这项研究坚定地证明,发夹涡不仅普遍存在于这种气流中,而且它们还对湍流能量和创造低压、高阻力区域的许多重要特征做出了重要贡献。”

在火箭未燃烧的情况下,导弹巡航段的涡结构出现在2.5马赫左右。

基什内尔说,实际上有两种发夹状结构,直立型和倒立型。前者从50年代开始就在紊流边界层中得到研究,但在自由剪切流中得到的关注较少。

“在我们研究的流动中,边界层在流动分离时消失——所以只有剪切流体在自由空间中移动,”他说。“当这些结构形成时,没有墙的边界的一个特殊后果就是这些发夹结构现在可以倒过来形成。一种发夹形成于初始结构朝一个方向变化时,另一种发夹形成于初始结构朝相反方向变化时。它们的几何结构是一样的,但是因为它们的方向是相反的,所以它们对气流的作用也是反向的。”

“我们知道,它们是气流中湍流最活跃的特征之一。我们相信,它们对圆柱体后面低压区域的形成有重大影响。”

基什内尔说,湍流通常被视为具有任意三维形状的旋涡结构的随机分布。他相信有一套明确的物理机制在驱动它们。

“我们在混乱中找到了秩序。我们不仅发现了有序的湍流,而且这种有序的湍流也是气流中湍流能量的最大贡献者。这些知识对于试图预测这种流的计算人员非常有用。如果,在他们的模拟中,他们可以演示这种相同的结构,引发相同类型的事件,并控制能量,那么他们就知道他们在正确的轨道上,在他们的模拟中有很多重要的流特征。它还提供了一种实现流量控制的方法的潜在途径,例如,提高气缸后的压力和减少阻力。你可以破坏产生这些结构的机制,阻止这些结构的形成。或者,如果这种结构被证明是有益的,你可以创造更多这样的结构,然后根据你想要的任何特性修改气缸上的压力负荷。”他说。

在实验中,基什内尔使用了一种测量技术,这种技术使用了光学断层摄影技术,称为层析粒子图像速度测量技术,类似于MRI或CT扫描的工作原理。图像是从多个角度同时拍摄的一个区域,从中,您可以重建三维图像。然后,测量可以提供这些复杂湍流事件的完整三维几何。

基什内尔说这项技术不是他发明的,但是伊利诺斯州拥有世界上唯一一个在超音速气流中成功使用这项测量技术的实验室。

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