粒子图像测速技术：实现对“超音速弹丸”尾流的高分辨率测量！

成像技术在过去30年中得到了极大的改进和进步，从弹道导弹等弹丸底部流出的尾流已经测量了很长时间了。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校航空航天工程系的研究人员，使用了一种名为立体粒子图像测速的现代测量技术，对以超音速运动的钝体圆柱体下游复杂流场进行了高分辨率测量，该圆柱体是弹丸或无动力火箭的代表。该实验是在伊利诺伊州格兰杰工程学院气体动力学实验室的2.5马赫风洞中完成，其研究成果发表在《AIAA Journal》期刊上。

研究人员安装了一个大圆柱体模型，并强制高压空气供应与大量烟雾颗粒混合在一起。博士生布兰登·基什内尔(Branden Kirchner)说：我们向烟雾粒子照射激光以照亮所需区域，然后可以从多个角度拍摄这些粒子的照片。从不同角度对同一区域进行成像能测量速度的所有三个组成部分，这些图像是以高分辨率间隔600纳秒拍摄。

这项技术能同时测量许多非常接近点的速度，而不是测量一个点然后继续下一个点，现在有了整个流场的速度图，作为时间快照。四台相机针对流场拍摄的3000张快照，提供了比以往任何研究都高得多的空间分辨率测量，研究这种流动的计算学家将从拥有这些新数据来与模拟进行比较中受益。

伊利诺伊州航空航天工程教授J·克雷格·达顿是这项研究的合著者，他几十年来一直在研究这种复杂的流动，他在攻读博士学位时使用了相同的风洞：我记得第一次使用这种技术获取数据，我给达顿教授看了一下，他说‘在90秒内，你获取的数据比我们过去六个月获取的数据还要多’。当水流脱离圆柱体时，它会产生尾流，就像船或飞机的尾迹一样。这就是重要的流动特征开始的地方，圆柱体的下游，它代表了火箭或弹丸的身体。

在分离的下游有一层薄层，称为剪切层，在那里缓慢移动的空气和快速移动空气之间的摩擦真正占主导地位。这个剪切层从气缸底座后面的区域中提取流体颗粒，这一过程被称为夹带。这个过程对气缸底座造成非常低的压力，这是目前还不太了解的事情。流动中发生的物理现象，是一些人用来在高速公路上获得更好的汽油里程的绘图技术。在一辆半卡车后面开一定距离的车，以获得更好的燃油经济性。

半卡车后面的压力很低，所以如果能把车前端放在低压区，而把后端放在高压区，实际上会被推出去，但由于这个低压区，半卡车上的空气动力阻力非常高。更好地理解流动实际上是如何产生这个低压区域的，可以给其他研究人员提供他们需要的知识，以找到改变压力的方法。在这项研究中不会改变圆柱体或圆柱体前面的任何东西，但如果知道什么机制可能导致基地压力分布的变化，并开发出一种提高压力的方法，就可以减少阻力，或者有更好的车辆方向控制。

博科园｜研究/来自：伊利诺伊大学厄本那-香槟分校

参考期刊《AIAA Journal》

DOI: 10.2514/1.J057859

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