高超音速气流仿真的惊人结果可能有助于设计更强大、更快、更耐用的超音速飞行器。

新的研究表明，双锥体上的气流在高速下会失去对称性。 （图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）

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。这项研究结果于 3 月 7 日发表在《物理评论流体》（Physical Review Fluids） 杂志上，可能为未来高速汽车的设计提供信息。

在这项研究中，研究人员使用三维模拟来揭示快速移动的圆锥体周围的意外干扰。

在高超音速下——超过 5 马赫，或超过 5 倍音速（3,836 英里/小时或 6,174 公里/小时），飞行器表面周围的空气流动变得复杂和颠簸。大多数仿真都假设流动围绕整个锥体是对称的，但直到最近，从流线到湍流的转变的研究只能在二维中进行，因此我们无法确定围绕三维结构的流动没有任何不对称性。

这些发现可以帮助工程师设计出更坚固、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。

“无论流动的几何形状如何，过渡流本质上都是 3D 且不稳定的，”该研究的合著者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的航空航天工程师 Irmak Taylan Karpuzcu 在一份声明中说。“在 2000 年代初期，我们进行了 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。那时就是一切可能。

Karpuzcu 和航空航天工程师 Deborah Levin 使用德克萨斯州高级计算中心的 Frontera 超级计算机模拟了锥形物体（通常用作高超音速飞行器的简化模型）周围的气流如何高速变化。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，你会认为圆锥体周围的流动是同心带状的，但我们注意到单锥体和双锥体形状的激波层内的流动都出现了中断，”Karpuzcu 说。

这些断裂在锥体尖端周围尤为普遍。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跟踪每个模拟的空气分子并捕捉分子之间的碰撞如何影响气流，从而证实了他们的发现。

干扰似乎也在高速下发展。“随着马赫数的增加，冲击会更接近表面并促进这些不稳定性。以每种速度运行仿真的成本太高，但我们确实以 6 马赫的速度运行了它，并且没有看到流程中断，“Karpuzcu 说。

Karpuzcu 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。