高超音速气流模拟的惊人结果可以帮助设计更强、更快、更耐用的超音速飞行器。
根据一项新的研究，仔细观察高速形状周围的气流会发现令人惊讶的湍流。该研究结果发表在《物理评论流体》杂志上，可以为未来高速载具的设计提供参考。
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干扰。研究表明，双锥体上方的气流在高速时会失去对称性。
在高超音速下 —— 超过5马赫，即音速的5倍以上（3836英里/小时或6174公里/小时） —— 飞行器表面周围的气流变得复杂而颠簸。大多数模拟都假设流动在整个锥体周围是对称的，但直到最近，对从流线型到湍流过渡的研究只可能在二维中进行，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。
这一发现可以帮助工程师设计出更强、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。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的航空航天工程师、该研究的合著者Irmak Taylan Karpuzcu在一份声明中表示：“无论流动几何形状如何，过渡流本质上都是三维的、不稳定的。21世纪初，实验是在3D中进行的（但他们）没有提供足够的数据来确定任何3D效果或不稳定性，因为锥形模型周围没有足够的传感器。这并没有错。这就是当时所有的可能。”
利用德克萨斯高级计算中心的Frontera超级计算机，Karpuzcu和航空航天工程师Deborah Levin模拟了一个锥形物体（通常用作高超音速飞行器的简化模型）周围的气流在高速下的三维变化。他们研究了单锥和双锥，这有助于科学家研究多重冲击波是如何相互作用的。
Karpuzcu说：“通常情况下，你会认为锥体周围的流动是同心带，但我们注意到，在单锥体和双锥体形状的激波层内，流动都出现了断裂。”
这些断裂在锥体的顶端尤其普遍。在高速下，激波更靠近锥，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跟踪每个模拟空气分子，并捕捉分子之间的碰撞如何影响空气流动，从而证实了他们的发现。
干扰似乎也在高速发展。Karpuzcu说：“随着马赫数的增加，激波会更靠近表面，并促进这些不稳定性。在每种速度下运行模拟都太昂贵了，但我们确实以6马赫的速度运行了模拟，没有看到气流中断。”
Karpuzcu说，这些断裂可能会影响到用于航运、武器和运输的高超音速飞行器的设计考虑，因为工程师需要考虑新观察到的不连续性。
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