用高速相机测量超音速弹丸的唤醒

示例瞬时速度场仅显示总速度矢量的1/18。

在过去的30年中，成像技术得到了极大的改善。自从测量弹道导弹等弹丸底部的流量以来，已经有很长时间了。伊利诺伊大学香槟分校伊利诺伊大学航空航天工程系的研究人员使用了一种称为立体粒子图像测速的现代测量技术，对超音速移动的钝钝圆柱体下游的复杂流场进行高分辨率测量。是弹丸或无动力火箭的代表。

该实验是在伊利诺伊州Grainger工程学院气体动力学实验室的2.5马赫风洞中完成的。研究人员安装了一个大气缸模型，并迫使高压空气供应与大量烟雾颗粒混合通过。

“我们用激光照射烟雾颗粒以照亮所需区域，然后我们可以从多个角度拍摄这些颗粒的照片。同时从不同的角度对同一区域进行成像，使我们能够测量速度的所有三个分量。”博士生布兰登·基希纳（Branden Kirchner）说。“高分辨率拍摄的图像间隔为600纳秒。

布兰登·基希纳（Branden Kirchner）。

“这项技术使我们能够同时测量非常靠近的许多点的速度，而不是先测量一个点，然后再移动到下一个点。现在，我们有了整个流场的速度图，作为时间的快照。”

Kirchner说，由四台针对流的摄像机成像的3,000张快照提供了比以前的研究更高的空间分辨率测量值。他说，研究这种流程的计算机专家将从这些新数据与他们的仿真比较中受益。

伊利诺斯州航空航天工程学教授J. Craig Dutton是该研究的合著者，数十年来，他一直在研究这种复杂的流动，同时在研究博士学位时使用了相同的风洞。基希纳说：“我记得我们第一次使用这种技术来采集数据时，我向达顿教授展示了，他说‘在90秒钟内，您采集的数据比六个月来的要多。”

当水流从圆柱体中分离出来时，它会产生唤醒，就像从船或飞机上流出的东西一样。这就是重要流动特征在圆柱体下游开始的地方，圆柱体代表了火箭或弹丸的主体。

他说：“分离的下游有一个薄层，称为剪切层，在该层中，缓慢流动的空气和快速流动的空气之间的摩擦确实占主导地位。”“该剪切层通过称为夹带的过程从紧靠气缸底部后面的区域中提取流体颗粒。此过程会导致气缸底部的压力非常低，这是我们目前尚不十分了解的事情。

基希纳（Kirchner）说，他喜欢用来解释流动中发生的物理现象的示例是一些人用来提高高速公路上的汽油行驶里程的绘图技术。他们在半卡车后面一定距离处驾驶汽车，以提高燃油经济性。

“半卡车后面的压力确实很低，因此，如果您可以将汽车的前端置于低压区域，将后端置于高压区域，则实际上会受到推力的挤压，但是由于这个低压区，半卡车上的空气阻力很高。

更好地了解流动是如何形成低压区的，可以为其他研究人员提供他们想出一种改变压力的方法所需的知识。

他说：“在这项研究中，我们没有改变沿气缸体或气缸前部的任何东西。”“但是，如果我们知道哪种机制会导致底座上的压力分布发生变化，并开发出一种提高该压力的方法，那么我们可以减少阻力或获得更好的车辆方向控制。”

这项研究《超音速，轴对称基流的三分量湍流测量和分析》由布兰登·基希纳（Branden M. Kirchner），詹姆斯·法瓦勒（James V. Favale），格雷戈里·S·埃利奥特（Gregory S.它在AIAA杂志上发表。DOI：10.2514 / 1.J057859

这项研究得到了美国陆军研究办公室的资助和空军研究实验室的研究金的支持。