伊利诺伊大学系
航空航天工程学院 瞬时三维测量体积的例子显示了大量发夹形涡流结构
学分:伊利诺伊大学法律系
航空航天工程学院 在超音速飞行的火箭后面的低压区发生的湍流是复杂的，也不是很容易理解的
在第一次类似的实验研究中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员通过证明在超音速分离流中发夹涡流的存在，帮助缩小了对这些流的知识差距
“在远上游的流动中有一种不稳定性，称为开尔文-亥姆霍兹不稳定性，在这种不稳定性中，两个流体区域相互通过，其中一个流动得比另一个快，流体变得不稳定并跳闸
布兰登·基什内尔博士说:“当它跳闸时，它开始快速旋转，涡流在对流时会变成不同的形状。”
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航空航天工程系的学生
“漩涡开始沿着一条近似直线拉长
然后，随着它进一步向下游移动，它进化并变形为这种连贯的发夹形状
过去曾有过这类流动的计算机模拟，预测这些结构的存在
但是如果没有对它们的实验测量，你实际上无法确认它们是否存在
这项研究坚定地证明，发夹涡流不仅普遍存在于这种流动中，而且它们还对湍流能量和许多产生低压、高阻力区的重要特征做出了重要贡献
" 旋涡结构出现在大约2马赫
5在导弹巡航段，当火箭没有燃烧时
基什内尔说，实际上有两种发夹状结构——直立的和倒置的
前者自50年代以来一直在湍流边界层中进行研究，但在自由剪切流中受到的关注要少得多
“在我们研究的流动中，当流动分离时，边界层消失了——所以只有剪切流体通过自由空间，”他说
“当这些结构形成时，没有壁边界的一个特殊后果是这些发夹结构现在可以颠倒形成
当初始结构在一个方向上变形时，形成一种发夹，当它在相反方向上变形时，形成另一种发夹
它们在几何上是相同类型的结构，但是因为它们的方向彼此相反，所以它们对流体的作用也是反向的
" 发卡涡对流量有什么影响？基什内尔说他们还有很多要学
“我们知道，它们是这种气流中湍流的最有力的特征之一
我们相信它们对气缸后低压区的实际形成有重要影响
" 基什内尔说，湍流通常被视为具有任意三维形状的涡流结构的随机分布
他认为有一套清晰的物理机制在驱动它们
“我们在混乱中寻找秩序
我们不仅发现有组织的有序湍流，而且发现这种有组织的湍流也是湍流能量的最大贡献者
这些知识对试图预测这种流动的计算学家非常有用
如果在他们的模拟中，他们能够展示这种相同的结构，引发相同类型的事件，并控制能量，那么他们知道他们在正确的轨道上，在他们的模拟中有许多重要的流动特征
它还提供了一个潜在的途径来实现流量控制方法，例如，提高气缸后面的压力和减少阻力
你可以破坏产生这些结构的机制，阻止这些结构的形成
或者，如果结构被证明是有益的，你可以创造更多的结构，然后根据你想要的特性来改变气缸上的压力载荷，”他说
在实验中，基什内尔使用了一种测量技术，这种技术使用光学层析成像技术，称为断层粒子图像测速术，类似于核磁共振成像或计算机断层扫描的工作原理
图像是从几个视角同时拍摄的一个区域，从这个角度，你可以重建一个三维图像
然后，测量可以提供这些复杂湍流事件的完整三维几何图形
基什内尔说，这项技术不是他开发的，但是伊利诺伊州有世界上唯一一个在超音速气流中成功使用这项测量技术的实验室
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