神奇的流场可视化技术

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  • 来源:云南朝阳公益

    ●它能让看不见摸不着的流场显露“真容”


    ●它是飞行器气动力学研究的“透视镜”


    ●它为高超声速飞行器研制提供有力支撑


    流场,物体飞行所形成的特殊空间


    空气无处不在,却看不见摸不着。当人们要形容某个“不可能”的事物时,往往会说“好比要将空气抓在手里一样难”。其实,空气也是一种物质。从中,人们已经探知总结出空气动力学、流体力学、飞行原理等诸多专业知识。


    人们在生活中常常会发现,当有空气流动经过物体,或者物体在空气中运动时,或多或少都受到空气的作用,并产生一些不可思议的神奇现象。比如,飞机能够在天空飞行而不会掉下来,足球比赛中的“香蕉球”“电梯球”令守门员防不胜防,表面光滑的高尔夫球却没有表面粗糙的高尔夫球飞得远等等,皆因受到空气的影响。


    在物体或飞行器飞行过程中,它被周围围绕着的空气形成了一个相对运动的特殊空间环境,即流场——能对物体或是飞行器产生影响的流体流动所占据的空间,也可以理解为某一时刻由物体或飞行器飞行所引起的气流运动的空间分布。


    流场里蕴含着许多科学奥秘,都与物体运动特别是高速飞行紧密关联。从地面上高速行驶的列车到天空飞行的飞机、导弹等,无不需要考虑流场的影响,并巧妙地“取长补短”,顺势而为。


    以飞行器为例,飞行时周围区域的空气速度、压强、温度等参数,在时间和空间上会发生变化。科学家运用这种变化产生的气动力,通过对飞行器推进系统、外形设计、速度设定与操控,让飞行器获得与重力方向相反的升力,从而使它能翱翔蓝天。同时,运用“气动力作用点与飞行器重心不重合”而产生的力矩作用,来改变飞行姿态、调整飞行方向。比如,让战斗机俯仰、盘旋、滚转以及做“眼镜蛇机动”等。


    当然,流场对飞行器带来的不利因素同样需要加以克服和削减。如高速飞行器与空气产生摩擦的“气动加热”现象,必须进行热防护设计和采用防烧灼优质材料。正如我们看到“神舟”飞船返回大气层时产生的烧灼而不会影响航天员安全一样。


    由此可见,流场对飞行器的飞行性能与安全举足轻重。了解流场的特性,是飞行器设计与研制的关键要素之一。


    看不见的流场,如何让它显露“真容”


    流场相对于一般的科学研究领域,更加神秘莫测。因为流体的运动是一个非常复杂的过程,涉及众多学科。流体力学的主要任务,就是研究流场中的流动问题。


    流场的复杂性在于,流场里既有相对均匀的气流、略有弯曲的流线组成的气流,又有大大小小、以不同方向和不同速度旋转的旋涡。就如同在水流中看到的漩涡一样,这一切使得流场中不同位置上的速度和方向不断改变、难以捉摸,专业上称之为“奇异线流场”。


    研究如此复杂的流场,首先遇到的问题就是如何让其看得见摸得着。早在1883年,英国科学家雷诺通过用滴管在流体内注入有色颜料的方式,观察水流的运动现象。当水流速度较慢时,水流呈现层状有序的直线运动,相互平行的水流之间没有相互运动;当流速增大时,水流则呈现无规则的杂乱运动,出现相互掺混的现象。由此,发现了“层流”“湍流”两个科学概念。


    从水流联想到空中,夏天在家里点燃蚊香的烟、工厂烟囱冒出的烟,有时也会产生相似的流动现象。后来,奥地利科学家马赫利用纹影可视化技术,在研究飞行抛射体时,发现了只有物体在运动速度超过声速时,物体前方才会存在流动现象。这成为超声速空气动力学研究的一个重要成果。


    此后,流场可视化技术不断发展,特别是随着计算机技术的迅速发展和高分辨图形显示设备的出现,流场可视化技术相继出现了壁面示踪法、丝线法、直接注入示踪法、化学示踪法、电控法及光学示踪法等多种类型几十种方法,实现了在同一时刻描述全场流态的技术跨越,让看不见、摸不着的神秘流场,变成了“可见”和“可感觉到”。


    如今,流场可视化技术不仅应用于流体力学和空气动力学的基础研究,在航空航天、交通运输、桥梁建筑、大气海洋、医学生物等领域也获得了广泛应用。


    新型流场可视化技术,助推高速飞行器研制


    借助流场可视化技术,科研人员可以直观了解飞行器流场的复杂空气动力现象,探索飞行器流场物理机制和运动规律,研究和解决困扰飞行器研制的相关技术难题。


    如通过流场可视化技术,摸清并掌握了机翼如何产生旋涡的现象,直接推动了飞行器设计创新突破,鸭翼布局、边条翼布局等主流战斗机应运而生。通过对飞行器表面流动开展可视化研究,确定气流分离出现的具体位置,有效解决了飞行器表面气流分离现象可能导致其失速的安全问题。


    由此可见,流场可视化技术在航空航天领域有着十分重要的作用。它能直观揭示飞行器流场形态,帮助科研人员研究和掌握飞行器流场物理机制和气动规律,直接助推飞行器的发展。


    让飞行器飞得更高、更快、更好,是人类的不懈追求。然而,随着飞行速度的不断增加,飞行器与周围空气相对运动时产生的流动现象越发复杂,传统的流场可视化技术已显得“力不从心”。特别是高速飞行器流场动能大、滞止温度高,强烈的激波和黏性摩擦阻力,使飞行器流场温度加热到数千摄氏度,流场表现出的非线性、非平衡、多尺度等特征,可导致飞行器流场特性剧烈变化,变得更加难以预测,严重制约和阻碍了高速飞行器的发展。


    近年来,流场可视化技术日益受到世界军事强国的高度重视。为准确、全面地再现复杂多变的高速飞行器流场,破解制约高速飞行器研制的空气动力学难题,许多国家正致力于发展性能更加优良的高速飞行器流场可视化技术。


    经过不懈探索和大胆创新,目前已有多种新型流场可视化技术相继问世。其中,一种“基于纳米示踪的高速流场可视化技术”,通过以纳米尺度粒子为示踪物,较好地解决了传统微米示踪物不能准确反映真实流动的难题,其成像信号比分子示踪物的成像信号大幅增强,使流场可视化质量得到极大改善和提升。它能对流场速度场、密度场、湍流脉动及气动光学波前等飞行器流场参数进行高分辨率试验测量。


    该技术在高速飞行器流场方面取得了较好效果,逐步实现了对超声速、高速飞行器流场的高质量可视化,解决了一系列困扰高速飞行器气动设计相关的关键技术问题。同时,也推动了高速飞行器湍流基础研究的进步,为破解高速飞行器气动难题提供了关键技术支撑。


    如同显微镜的发明开启了研究微观世界的新纪元一样,随着新型流场可视化技术的发展,科学家们将获得更加准确的精细流动图像和流场信息,为研究和破解高速和高超声速飞行器面临的空气动力学问题,打开一扇新的窗口。


    未来,不断涌现的各种新型流场可视化技术,将成为高速飞行器发展的强大助力。


    上图为高速飞行器流场可视化图像。


    版式设计:梁 晨