流场|神奇的流场可视化技术
●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
国防科技大学空天科学学院副教授何霖为您讲述——
神奇的流场可视化技术
■解放军报采访人员 王握文 通讯员 宁凡明
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 。
文章图片
文章图片
上图为高速飞行器流场可视化图像 。
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 。
