伊利諾大學厄巴納-香檳分校的研究人員利用先進的3D 模擬技術對高超音速流動的湍流行為有了新的認識。他們利用超級運算能力和客製化軟體，在16 馬赫的速度下發現了錐形模型周圍意想不到的不穩定性和流動中斷，這是以前的二維或實驗研究中從未見過的干擾。

這些發現可能會對未來高超音速飛行器的設計產生重大影響，因為它可以幫助工程師了解極端速度如何以新的方式與表面幾何形狀相互作用。

在高超音速下，空氣與飛行器表面相互作用時會表現出複雜的行為，形成邊界層和衝擊波等特徵。伊利諾大學厄巴納-香檳分校格蘭傑工程學院航空航天工程系的研究人員首次使用全3D 模擬觀察到了這些相互作用中的新擾動。

以高超音速運行高解析度3D 模擬需要龐大的運算能力，這使得這項工作成本高且具有挑戰性。這項研究之所以能夠進行，有兩個關鍵資源：一是可以使用Frontera，這是一台由美國國家科學基金會資助的位於德克薩斯高級計算中心的領導級超級電腦；二是多年來由Deborah Levin 教授的幾位前研究生開發的專用軟體。 Levin 與她的博士生Irmak Taylan Karpuzcu 一起領導了這項研究。

模擬流場的錐形連接視圖。影像中標示為A、B 和C 的是錐形激波、波浪分離線和圓形不連續性的位置。圖片來源：伊利諾大學厄巴納-香檳分校格蘭傑工程學院

「無論流動幾何形狀如何，過渡流都是三維的，本質上是不穩定的。21 世紀初進行的三維實驗沒有提供足夠的數據來確定任何三維效應或不穩定性，因為錐形模型周圍沒有足夠的感測器。這並沒有錯。那隻是當時所有可能的情況，」Karpuzcu 說。 「我們有這些數據可以比較，但現在有了三維的全貌，情況就不同了。通常，你會認為錐體周圍的流動是同心帶狀的，但我們注意到單錐和雙錐形狀的衝擊層內的流動都有斷裂。”

使用等值面模擬影像來視覺化雙錐上的角速度。圖片來源：伊利諾大學厄巴納-香檳分校格蘭傑工程學院

卡普斯庫稱，他們觀察到錐體尖端附近出現了裂紋，並且在空氣分子聚集的地方附近出現了衝擊波，使得它們在16 馬赫的速度下變得更加粘稠。

「隨著馬赫數的增加，衝擊波會越來越接近表面，從而加劇這些不穩定性。以每種速度運行模擬的成本太高，但我們確實以6 馬赫的速度運行了模擬，並沒有看到流動中斷。”

卡普斯庫表示，圓錐幾何形狀代表了許多高超音速飛行器的簡化版本，了解流動如何影響表面特性有助於設計考量。

這張模擬影像顯示了密度輪廓，就像你正在看圓錐體的尖端一樣。圖片來源：伊利諾大學厄巴納-香檳分校格蘭傑工程學院

“我們團隊的內部軟體使得在平行處理器中運行模擬變得高效，因此速度要快得多。已經有了高速條件下的實驗數據，因此我們對模擬的外觀有一些直覺，但在3D 中我們發現了意想不到的突破。”

他說，對他來說，工作中最困難的部分是分析流程中斷的原因。

「流動應該朝各個方向流動，但要均勻。我們需要證明我們看到的現象。我們的文獻綜述表明，基於三層理論的線性穩定性分析可以應用於這種流動。在分析了複雜的公式並將其與我們的案例聯繫起來後，我們開發了一個代碼來再次對問題進行數字模擬。運行3D 直接模擬數據與我們的案例聯繫起來後，我們開發了一個代碼來再次對問題進行數字模擬。運行3D 直接模擬。

卡普斯庫說，直接模擬蒙特卡洛的優點在於它可以追蹤流動中的每個空氣分子並捕捉衝擊。

「當您使用其他方法計算流體動力學時，一切都是確定性的。當我們將一個粒子引入流場時，該粒子與其他粒子或任何固體表面發生碰撞的概率是根據基於物理的公式計算出來的，但輸出是擲骰子。蒙特卡羅方法會進行隨機、重複的嘗試。它比傳統的計算流體動力學方法更廣泛，我們正在跟踪了一個數字碰撞。

編譯自/ ScitechDaily