南加州大学的阿维尼·沙阿 超燃冲压发动机——其特点是发动机利用发动机的向前运动来压缩以超音速流动的进气
信用:美国宇航局，托尼·兰蒂斯
应用冲击波可以改善超音速内燃机中流体混合的条件，为速度比音速快五倍的飞行铺平道路
伊万·贝尔梅霍-莫雷诺喜欢他的咖啡带有一点动荡的味道
但是，当谈到高超音速喷气式飞机——速度比声音快五倍的飞机——时，他不喜欢用勺子混合咖啡和奶油，而是喜欢用更强的东西混合空气中的氧气和喷气燃料:冲击波
类似的原理也适用于飞机发动机中的流体混合，空气中的氧气必须与燃料混合，以帮助其以一定的速度推进
南加州大学的研究人员在南加州大学维特比航空航天和机械工程系，包括高翔宇，南加州大学维特比博士
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最近为他的论文辩护的学生和他的博士顾问助理教授伊万·贝尔梅霍-莫雷诺正在研究如何实现高速高效混合
更好的混合使超音速内燃机——气流速度大于音速——保持更短的长度，同时使车辆能够超音速行驶
实现这一点的一种方法是使用冲击波
冲击波的特征是介质的压力、温度和密度的突然变化，其移动速度超过了声速
“如果不施加冲击波，就会发生混合，就像在咖啡和奶油的例子中一样，但这需要更长的时间，”贝尔梅霍-莫雷诺说
“冲击波会放大湍流——类似于咖啡例子中的勺子——湍流越多，混合就越快
" 研究人员最近在《流体力学杂志》上发表了一项研究，分享了这种快速混合——支持更快、更高效的车辆——能够发生的条件
一旦产生冲击波——一种介质中突然而强烈的扰动——流体通过它的速度就会大大降低，也就有了更多的混合时间
研究人员说，这使燃料和空气处于更好的燃烧状态，并将提高温度，使其更容易自燃
在混合能够被有效地处理以支持高超音速飞行器的条件下，有许多含义，包括对空间探索的商业应用
贝尔梅霍-莫雷诺说:“想象一下，除了火箭，你还有更轻更小的东西可以带我们一路到达火星
超燃冲压发动机和旋转爆震发动机的结合，都是基于冲击波和湍流，也许有一天会做到这一点
" 研究小组还包括约翰·拉尔森，马里兰大学机械工程副教授
研究人员在南加州大学高性能计算中心和阿尔贡国家实验室的超级计算机上进行了大规模并行数值模拟研究
流动的基本构件 这项研究通过使用一个基本的几何装置——基本上是一个盒子——并去除与流体或空气流动性质的表面摩擦相关的变量，将研究人员感兴趣探索的物理隔离开来
在这项研究中，气流将从盒子的一侧进入，并遇到通过仔细控制盒子内部的压力而产生的冲击波
贝尔梅霍-莫雷诺说，然后它从盒子的另一边出来
“通过这种方式，我们隔离了湍流和冲击波之间的相互作用，”贝尔梅霍-莫雷诺说
虽然过去人们已经研究了湍流和冲击波的纯相互作用，但研究人员表示，只有少数研究关注这种结构中的混合
贝尔梅霍-莫雷诺说，冲击波是由空气遇到进气口时的大(超音速)速度产生的
几何变形，如拐角，通常足以产生冲击波
研究人员研究的参数范围也比以前的研究更大，包括气流进入速度的变化
研究人员还观察了不同程度的湍流
“想象湍流，考虑一个水龙头，”贝尔梅霍-莫雷诺说
“当水龙头几乎不开的时候，水流缓慢、透明、平稳——这就是所谓的层流
但是当你不断打开水龙头时，水流的速度会增加
水流变得模糊，不再透明——这就是你所说的湍流
同样的事情发生在空气中和我们在高超音速飞行器中讨论的空气和燃料的混合物中
" 研究人员说，他们对湍流最感兴趣，因为它们最能代表现实中正在发生的事情
就像当你把牛奶加到你的咖啡里，不搅拌它，没有冲击波，增加湍流，混合会发生，但需要更长的时间
在这项研究中，研究人员发现，虽然一些与混合水平相关的量在湍流放大一定程度后会饱和，但其他量会继续增加，这表明随着湍流的增加，混合会继续改善
接下来，研究人员希望观察更多的几何形状，看看这些几何形状如何影响混合
“在未来，我们想研究的一个要素是不同形状的湍流结构——被称为涡流——如何影响混合
例如，管状结构对燃料和空气的输送和混合的影响与片状结构不同
“如果你知道在混合中占主导地位的湍流结构的类型，那么你可能想要产生更多这样的结构，”贝尔梅霍-莫雷诺说
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