一项新的研究表明，仔细观察高速形状周围的气流会发现令人惊讶的湍流。研究结果发表在 3 月 7 日的期刊上 物理复习液，可以为未来高速车辆的设计提供信息。
在这项研究中，研究人员使用三维模拟来揭示快速移动的锥体周围的意外扰动。
在高超音速下——高于 5 马赫，或超过音速的 5 倍（3,836 英里/小时或 6,174 公里/小时）——车辆表面周围的空气流动变得复杂且颠簸。大多数模拟都假设流动围绕整个圆锥体是对称的，但直到最近，对从流线型到湍流转变的研究只能在二维中进行，因此我们无法确定三维结构周围的流动是否存在任何不对称性。
这些发现可以帮助工程师设计出更强大、更快的飞行器，能够承受高超音速飞行过程中感受到的极端温度、压力和振动。
“过渡流是 3D 的，本质上是不稳定的，无论流几何形状如何，”研究合著者伊尔马克·泰兰·卡尔普兹库伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的航空航天工程师在一份报告中表示 陈述。
“2000 年代初进行了 3D 实验，[但他们]没有提供足够的数据来确定任何 3D 效应或不稳定性，因为锥形模型周围没有足够的传感器。这没有错。这只是当时可能的情况。”
超音速飞行
Karpuzcu 和航空航天工程师使用德克萨斯州高级计算中心的 Frontera 超级计算机 黛博拉·莱文模拟了锥形物体周围的空气流动（通常用作高超音速飞行器的简化模型）如何在三个维度上高速变化。
他们研究了单锥体和双锥体，这有助于科学家研究多个冲击波如何相互作用。
“通常情况下，你会期望锥体周围的流动是同心带状，但我们注意到单锥体和双锥体形状的激波层内的流动中断，”卡尔普兹库说。
这些断裂在锥体尖端周围尤其普遍。在高速下，冲击波更靠近锥体，将空气分子挤压成不稳定的层并放大气流的不稳定性。该团队通过运行一个程序来证实他们的发现，该程序跟踪每个模拟空气分子并捕获分子之间的碰撞如何影响气流。
扰动似乎也在高速发展。 “当你增加马赫数时，激波会越来越接近表面，并加剧这些不稳定性。在每个速度下运行模拟的成本太高，但我们确实以 6 马赫数运行了它，并且没有看到流动中断，”Karpuzcu 说。
卡普兹库说，这些中断可能会影响高超音速飞行器的设计考虑，这些飞行器可用于航运、武器和运输，因为工程师需要考虑新观察到的不连续性。
