伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用先进的 3D 模拟技术对高超音速流动的湍流行为有了新的认识。他们利用超级计算能力和定制软件，在 16 马赫的速度下发现了锥形模型周围意想不到的不稳定性和流动中断，这是以前的二维或实验研究中从未见过的干扰。

这些发现可能会对未来高超音速飞行器的设计产生重大影响，因为它可以帮助工程师了解极端速度如何以新的方式与表面几何形状相互作用。

在高超音速下，空气与飞行器表面相互作用时会表现出复杂的行为，形成边界层和冲击波等特征。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院航空航天工程系的研究人员首次使用全 3D 模拟观察到了这些相互作用中的新扰动。

以高超音速运行高分辨率 3D 模拟需要巨大的计算能力，这使得这项工作成本高昂且具有挑战性。这项研究之所以能够进行，有两个关键资源：一是可以使用 Frontera，这是一台由美国国家科学基金会资助的位于德克萨斯高级计算中心的领导级超级计算机；二是多年来由 Deborah Levin 教授的几位前研究生开发的专用软件。Levin 与她的博士生 Irmak Taylan Karpuzcu 一起领导了这项研究。

模拟流场的锥形连接视图。图像中标记为 A、B 和 C 的是锥形激波、波浪分离线和圆形不连续性的位置。图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院

“无论流动几何形状如何，过渡流都是三维的，本质上是不稳定的。21 世纪初进行的三维实验没有提供足够的数据来确定任何三维效应或不稳定性，因为锥形模型周围没有足够的传感器。这并没有错。那只是当时所有可能的情况，”Karpuzcu 说。“我们有这些数据可以比较，但现在有了三维的全貌，情况就不同了。通常，你会认为锥体周围的流动是同心带状的，但我们注意到单锥和双锥形状的冲击层内的流动都有断裂。”

使用等值面模拟图像来可视化双锥上的角速度。图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院

卡普斯库称，他们观察到锥体尖端附近出现了裂纹，并且在空气分子聚集的地方附近出现了冲击波，使得它们在 16 马赫的速度下变得更加粘稠。

“随着马赫数的增加，冲击波会越来越接近表面，从而加剧这些不稳定性。以每种速度运行模拟的成本太高，但我们确实以 6 马赫的速度运行了模拟，并没有看到流动中断。”

卡普斯库表示，圆锥几何形状代表了许多高超音速飞行器的简化版本，了解流动如何影响表面特性有助于设计考虑。

这张模拟图像显示了密度轮廓，就像你正在看圆锥体的尖端一样。图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院

“我们团队的内部软件使得在并行处理器中运行模拟变得高效，因此速度要快得多。已经有了高速条件下的实验数据，因此我们对模拟的外观有一些直觉，但在 3D 中我们发现了意想不到的突破。”

他说，对他来说，工作中最困难的部分是分析流程中断的原因。

“流动应该朝各个方向流动，但要均匀。我们需要证明我们看到的现象。我们的文献综述表明，基于三层理论的线性稳定性分析可以应用于这种流动。在分析了复杂的公式并将其与我们的案例联系起来后，我们开发了一个代码来再次对问题进行数字模拟。运行 3D 直接模拟蒙特卡罗模拟很难，但随后我们设置了第二个计算机程序，以确保一切正常，并且符合我们的流动条件的限制。当我们这样做时，我们看到锥体周围 180 度周期性地分成两个大块。”

卡普斯库说，直接模拟蒙特卡洛的优点在于它可以追踪流动中的每个空气分子并捕捉冲击。

“当您使用其他方法计算流体动力学时，一切都是确定性的。当我们将一个粒子引入流场时，该粒子与其他粒子或任何固体表面发生碰撞的概率是根据基于物理的公式计算出来的，但输出是掷骰子。蒙特卡罗方法会进行随机、重复的尝试。它比传统的计算流体动力学方法更广泛，我们正在跟踪数十亿个粒子。这确保了流场中有足够的粒子，并且碰撞被正确捕获。”

编译自/ScitechDaily