成像技術(shù)在過(guò)去30年中得到了極大的改進(jìn)和進(jìn)步，從彈道導(dǎo)彈等彈丸底部流出的尾流已經(jīng)測(cè)量了很長(zhǎng)時(shí)間了。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校航空航天工程系的研究人員，使用了一種名為立體粒子圖像測(cè)速的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，對(duì)以超音速運(yùn)動(dòng)的鈍體圓柱體下游復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行了高分辨率測(cè)量，該圓柱體是彈丸或無(wú)動(dòng)力火箭的代表。該實(shí)驗(yàn)是在伊利諾伊州格蘭杰工程學(xué)院氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的2.5馬赫風(fēng)洞中完成，其研究成果發(fā)表在《AIAA Journal》期刊上。

研究人員安裝了一個(gè)大圓柱體模型，并強(qiáng)制高壓空氣供應(yīng)與大量煙霧顆粒混合在一起。博士生布蘭登·基什內(nèi)爾(Branden Kirchner)說(shuō)：我們向煙霧粒子照射激光以照亮所需區(qū)域，然后可以從多個(gè)角度拍攝這些粒子的照片。從不同角度對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行成像能測(cè)量速度的所有三個(gè)組成部分，這些圖像是以高分辨率間隔600納秒拍攝。這項(xiàng)技術(shù)能同時(shí)測(cè)量許多非常接近點(diǎn)的速度，而不是測(cè)量一個(gè)點(diǎn)然后繼續(xù)下一個(gè)點(diǎn)，現(xiàn)在有了整個(gè)流場(chǎng)的速度圖，作為時(shí)間快照。

四臺(tái)相機(jī)針對(duì)流場(chǎng)拍攝的3000張快照，提供了比以往任何研究都高得多的空間分辨率測(cè)量，研究這種流動(dòng)的計(jì)算學(xué)家將從擁有這些新數(shù)據(jù)來(lái)與模擬進(jìn)行比較中受益。伊利諾伊州航空航天工程教授J·克雷格·達(dá)頓是這項(xiàng)研究的合著者，他幾十年來(lái)一直在研究這種復(fù)雜的流動(dòng)，他在攻讀博士學(xué)位時(shí)使用了相同的風(fēng)洞：我記得第一次使用這種技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，我給達(dá)頓教授看了一下，他說(shuō)‘在90秒內(nèi)，你獲取的數(shù)據(jù)比我們過(guò)去六個(gè)月獲取的數(shù)據(jù)還要多’。

當(dāng)水流脫離圓柱體時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生尾流，就像船或飛機(jī)的尾跡一樣。這就是重要的流動(dòng)特征開(kāi)始的地方，圓柱體的下游，它代表了火箭或彈丸的身體。在分離的下游有一層薄層，稱(chēng)為剪切層，在那里緩慢移動(dòng)的空氣和快速移動(dòng)空氣之間的摩擦真正占主導(dǎo)地位。這個(gè)剪切層從氣缸底座后面的區(qū)域中提取流體顆粒，這一過(guò)程被稱(chēng)為夾帶。這個(gè)過(guò)程對(duì)氣缸底座造成非常低的壓力，這是目前還不太了解的事情。流動(dòng)中發(fā)生的物理現(xiàn)象，是一些人用來(lái)在高速公路上獲得更好的汽油里程的繪圖技術(shù)。

在一輛半卡車(chē)后面開(kāi)一定距離的車(chē)，以獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。半卡車(chē)后面的壓力很低，所以如果能把車(chē)前端放在低壓區(qū)，而把后端放在高壓區(qū)，實(shí)際上會(huì)被推出去，但由于這個(gè)低壓區(qū)，半卡車(chē)上的空氣動(dòng)力阻力非常高。更好地理解流動(dòng)實(shí)際上是如何產(chǎn)生這個(gè)低壓區(qū)域的，可以給其他研究人員提供他們需要的知識(shí)，以找到改變壓力的方法。在這項(xiàng)研究中不會(huì)改變圓柱體或圓柱體前面的任何東西，但如果知道什么機(jī)制可能導(dǎo)致基地壓力分布的變化，并開(kāi)發(fā)出一種提高壓力的方法，就可以減少阻力，或者有更好的車(chē)輛方向控制。

博科園｜研究/來(lái)自：伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校

參考期刊《AIAA Journal》

DOI: 10.2514/1.J057859

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