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。

　　新发现可能会对未来高超声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。

使用等值面模拟图像来可视化双锥上的角速度。

这张模拟图像显示了密度轮廓，就像正在看圆锥体的尖端一样。　　伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用先进的3D模拟技术对高超声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，在马赫数16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声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。　　在高超声速下，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。　　以高分辨率3D模拟运行高超声速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，有两个关键要素：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超级计算机；二是多年来由德博拉·莱文（Deborah Levin）教授的几位前研究生开发的专用软件。莱文与她的博士生伊尔马克·塔伊兰·卡尔普兹库（Irmak Taylan Karpuzcu）一起领导了这项研究。　　卡尔普兹库介绍说：“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。本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。这主要受限于当时的技术水平。如今，我们通过超级计算机模拟有数据可以比较，掌握了三维的全貌，情况就不同了。通常，人们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。”　　研究团队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，使得空气分子在马赫数16的速度下变得更加黏稠。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。以各种速度运行模拟的成本太高，研究团队以马赫数6的速度运行了模拟，但没有看到流动中断。　　卡尔普兹库表示，模拟测试的圆锥几何形状代表了许多高超声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。他说：“我们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。”　　对研究团队来说，工作中最困难的部分是分析流程中断的原因。他们发现，使用三层理论（一种复杂的数学方法）的线性稳定性分析可以应用于这种情况。为了证实他们的假设，他们开发了一种新的计算机算法来再次模拟流动并测试分析。　　“我们设置了第二个计算机程序，以确保一切正常，并且在我们的流动条件的限制范围内。当我们这样做时，我们看到锥体周围180度周期内有两个大块断裂。”卡尔普兹库补充道。　　此外，该团队还使用了直接模拟蒙特卡罗方法，该方法跟踪数十亿个单个空气分子并模拟它们的碰撞。使用蒙特卡罗方法进行随机、重复的尝试，比传统的计算流体动力学方法更广泛，3D模拟跟踪数十亿个粒子，确保了流场中有足够的粒子，并且碰撞被正确捕获。　　这项研究通过揭示以前看不见的3D不稳定性，为高超声速流动的复杂行为提供了新的认识。它为改进飞行器设计和更安全、更高效的高超声速旅行铺平了道路。 （航柯）