由南加州大学制作
从左到右不同时间点的结构演化
形状和颜色的变化与合并和拆分事件相关联
信用:伊万·贝尔梅霍-莫雷诺 你试过食用染料吗？它可以让烹饪变得更有趣，并提供了一个很好的例子，说明两种液体如何很好地混合在一起——或者根本不混合
在水中加入一小滴，你可能会看到它慢慢溶解在较大的液体中
再加几滴，也许你会看到一波颜色扩散，彩色的液滴扩散开来，分裂开来，扩散得更彻底
加入一个勺子，开始快速搅拌，你可能会发现水完全改变颜色，如你所愿
南加州大学维特比工程学院的研究人员在航空航天和机械工程助理教授伊万·贝尔梅霍-莫雷诺的领导下，研究了高速气体的类似现象，着眼于更有效的混合，以支持超音速超燃冲压发动机
这项研究发表在《流体物理学》上
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乔纳斯·布克迈尔和高翔宇
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20)和前来访的M
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学生亚历山大·布曼(慕尼黑工业大学)开发了一种新颖的跟踪方法，放大了混合发生的基本原理
例如，这项研究有助于理解注入的燃料如何与发动机中周围的氧化剂(空气)相互作用，使其最佳运行，或者星际气体如何在超新星爆炸后混合形成新的恒星
该方法着重于气体湍流涡旋运动的几何和物理特性，以及它们在混合时如何随时间改变形状
超燃冲压发动机——无运动部件的超快速实验发动机——此前曾创下喷气式飞机9马赫的空气速度纪录
6，允许潜在的从悉尼到伦敦的旅行在90分钟左右
Bermejo-Moreno说:“这些单独流动结构的动力学和它们正在经历的几何变化还没有随着时间的推移而被跟踪，因为我们以前没有计算技术来做到这一点；特别是在湍流推进系统中(如喷气发动机)
现在我们可以同时观察成千上万个这样的流动结构，并跟踪每个结构的形状如何变化，以及它如何与周围的结构混合和相互作用
" Bermejo-Moreno说，价值在于，一旦你能识别出最有助于加速混合过程的模式，你就能复制这些特定的条件，因为你能在每个时间点看到结构(例如燃料和氧化剂)的演变
他说:“在超音速燃烧发动机中，你希望燃料混合发生得越快越好，这样燃料就能在离开发动机之前完全用完。”
“为此，我们需要了解混合是如何在不同的时间点发生的
" 变形和冲击波 Bermejo-Moreno说，当燃料被注入火箭或超燃冲压发动机时，它开始了扩散过程
“喷射过程通常会将燃油分解成小的、接近球形的结构，然后由发动机内部的湍流气流输送和混合
湍流将继续破坏燃料结构并改变它们的形状
" 上图展示了一个“理想”情况，燃料远离发动机壁，基本上没有边界
但在现实生活中，发动机壁也会影响混合
Bermejo-Moreno说，这项新研究的重点是隔离冲击波的影响，冲击波是压缩燃料(压缩燃料体积)和分解燃料的关键因素
冲击波是一种运动速度超过音速的扰动，它会使撞击介质的压力、温度和密度发生突然、不连续的变化
在这种情况下，冲击波使燃料结构的形状变平，并为燃料被发动机内部的湍流分解创造了更多的表面积
当流体与湍流相互作用时，结构随时间改变形状，相应的合并和分裂发生
信用:伊万·贝尔梅霍-莫雷诺 理解压缩——例如通过冲击波——对湍流混合过程的影响，对于推进吸气式超级和高超音速推进系统非常重要
这些系统的特点是空气流入发动机，通过排气加热和释放
这种系统对于混合的发生也有压缩的时间要求
确切地知道喷射的燃料是如何分解的，可以帮助研究人员准确地确定哪些条件促进了这种发动机高效运行的最有利的混合方案
由Bermejo-Moreno领导的先前研究将冲击波确定为加速燃料混合的有利力量，但是该研究并没有从新研究中实施的跟踪方法算法中受益
虽然可以手动跟踪几个事件，但试图找到燃料在不同条件下如何混合的准确表示和建议依赖于足够大的样本量来显示类似的结果
这种新的跟踪方法提供了一幅更清晰的画面，显示了喷射燃料时时刻刻的结构变化，更好地告知航空航天工程师如何复制最有利于超音速和高超音速发动机的条件
Bermejo-Moreno说:“一旦你有了这种跟踪算法，你就可以将其应用于任何流，以获得一个图表，该图表封装了流中发现的所有结构随时间的相互作用。”
“你可以查询图表，寻找随时间类似演变的模式
您可以看到这些模式重复的频率，并收集相关物理过程的统计数据，例如，“这是喷射燃料分解过程中的常见行为
" Bermejo-Moreno说，冲击波的影响在具有较大球形结构而不是较小球形结构的情况下尤其显著，因为较大的球体更容易发生“分裂事件”，燃料分裂成越来越多的碎片
“如果你考虑更大的结构，”他说，“你认为它们需要更长的时间来扩散，但是它们经历的湍流混合将更多地受益于激波相互作用，这将使它们更快地分裂成更小的结构。”
" 如果你再想想食用染料的情况，食用染料的小液滴越多，染料就越容易溶解在水中，并与它结合形成新的溶液
“如果你能有更好的混合，这将有助于提高你的推进系统的性能，”Bermejo-Moreno说
为未来的建议提供信息 Bermejo-Moreno说，接下来的步骤包括研究当你靠近发动机壁和混合层时会发生什么——两股流体以两种不同的速度流动
“我们将跟踪湍流结构随时间的变化，从结构动力学的角度来理解粘性剪切是如何影响混合过程的，”他说
目前，贝尔梅霍-莫雷诺说，在提供真实世界的建议之前，还有一些最终会影响推进性能的因素需要考虑，但这是向前迈出的一步
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