一項新的研究表明，仔細觀察高速形狀周圍的氣流會發現令人驚訝的湍流。研究結果發表在 3 月 7 日的期刊上 物理複習液，可以為未來高速車輛的設計提供信息。
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擾動。
在高超音速下——高於 5 馬赫，或超過音速的 5 倍（3,836 英里/小時或 6,174 公里/小時）——車輛表面周圍的空氣流動變得複雜且顛簸。大多數模擬都假設流動圍繞整個圓錐體是對稱的，但直到最近，對從流線型到湍流轉變的研究只能在二維中進行，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。
這些發現可以幫助工程師設計出更強大、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。
“過渡流是 3D 的，本質上是不穩定的，無論流幾何形狀如何，”研究合著者伊爾馬克·泰蘭·卡爾普茲庫伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的航空航天工程師在一份報告中表示 陳述。
“2000 年代初進行了 3D 實驗，[但他們]沒有提供足夠的數據來確定任何 3D 效應或不穩定性，因為錐形模型周圍沒有足夠的傳感器。這並沒有錯。這只是當時可能的情況。”
超音速飛行
Karpuzcu 和航空航天工程師使用德克薩斯州高級計算中心的 Frontera 超級計算機 黛博拉·萊文模擬了錐形物體周圍的空氣流動（通常用作高超音速飛行器的簡化模型）如何在三個維度上高速變化。
他們研究了單錐體和雙錐體，這有助於科學家研究多個衝擊波如何相互作用。
“通常情況下，你會期望錐體周圍的流動是同心帶狀，但我們注意到單錐體和雙錐體形狀的激波層內的流動中斷，”卡爾普茲庫說。
這些斷裂在錐體尖端周圍尤其普遍。在高速下，衝擊波更靠近錐體，將空氣分子擠壓成不穩定的層並放大氣流的不穩定性。該團隊通過運行一個程序來證實他們的發現，該程序跟踪每個模擬空氣分子並捕獲分子之間的碰撞如何影響氣流。
擾動似乎也在高速發展。 “當你增加馬赫數時，激波會越來越接近表面，並加劇這些不穩定性。在每個速度下運行模擬的成本太高，但我們確實以 6 馬赫數運行了它，並且沒有看到流動中斷，”Karpuzcu 說。
卡普茲庫說，這些中斷可能會影響高超音速飛行器的設計考慮，這些飛行器可用於航運、武器和運輸，因為工程師需要考慮新觀察到的不連續性。
