结构在不同时间点的演变，从左到右。形状和颜色的更改与合并和拆分事件相关联。/ IVAN BERMEJO-MORENO形象。
你试过食用色素吗?它可以让烹饪变得更有趣，并提供了一个很好的例子两种液体是如何很好地混合在一起的．
在水中加入一小滴，你可能会看到它慢慢地溶解在较大的液体中。再加几滴，也许你会看到一波颜色的扩散，彩色的液滴扩散开来，散开，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了颜色，正如你所希望的那样。
南加州大学维特比工程学院(USC Vibob国际首页登录terbi School of Engineering)的研究人员在航空航天与机械工程助理教授Ivan bermejoo - moreno的带领下，研究了气体在高速下的类似现象，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， bob国际首页登录USC Viterbi博士Jonas Buchmeier，以及Xiangyu Gao (USC Viterbi博士' 20)和前访问硕士学生Alexander Bußmann (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。这项研究有助于理解，例如，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，或者超新星爆炸后星际气体如何混合形成新的恒星。该方法侧重于气体湍流旋转运动的几何和物理性质，以及它们在混合时如何随时间改变形状。
超燃冲压发动机是一种没有活动部件的超快实验性发动机，此前曾创造了喷气式飞机9.6马赫的空速纪录，从悉尼到伦敦的潜在飞行时间为90分钟左右。
Bermejo-Moreno说:“这些个体流动结构的动力学和它们正在经历的几何变化一直没有被追踪，因为我们以前没有这样做的计算技术;特别是在一个湍流的推进系统中(比如喷气发动机)。现在我们可以同时观察数千或数十万个这样的流动结构，并跟踪每个结构的形状如何变化，以及它如何与周围结构混合和相互作用。”
Bermejo-Moreno说，这样做的价值在于，一旦你能识别出最有助于加速混合过程的模式，你就可以复制这些特定的条件，因为你可以在每个时间点看到结构的演变(例如燃料和氧化剂的结构)。
他说:“在超音速内燃机中，你希望燃料混合的速度尽可能快，这样燃料就能在离开发动机之前完全用完。”“要做到这一点，我们需要了解混合在不同时间点是如何发生的。”
变形和冲击波
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，Bermejo-Moreno说。
喷射过程通常会将燃料分解成小的、接近球形的结构，然后在发动机内部的湍流气流中运输和混合。湍流将继续破坏燃料结构，改变它们的形状。”
上图展示了一个“理想”情况，即燃料远离发动机壁面，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分离冲击波的影响，冲击波是压缩燃料的一个关键组成部分——收缩其体积——并将其分解。冲击波是一种比声速更快的扰动，它使介质的压力、温度和密度发生突然的、不连续的变化。在这种情况下，冲击波会使燃料结构的形状变平，并为燃料创造更多的表面积，使其被发动机内部的湍流分解。
了解压缩(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声速推进系统非常重要。
这些系统的特点是空气流入强行进入发动机，加热和释放通过排气。这样的系统也有压缩时间要求发生混合。准确了解注入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能促进最有利的混合方案，使发动机有效运行。
先前的研究由Bermejo-Moreno领导的研究发现，冲击波是加速燃料混合的一种有益力量，但这项研究并没有从新研究中采用的跟踪方法算法中受益。虽然可以手动跟踪几个事件，但要找到燃料在不同条件下如何混合的准确表示和建议，依赖于有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喷射燃料每时每刻的结构变化的更清晰的图像，更好地告诉航空航天工程师如何复制最有利于超音速和高超声速发动机的条件。
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，以获得一个封装了流中所有结构随时间变化的相互作用的图表。”“你可以查看图表，寻找随着时间推移相似演变的模式。你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，‘这是注入燃料分解过程中的常见行为。’”
这张图片显示了结构随时间变化的形状，以及当流体与湍流相互作用时发生的相应的合并和分裂。/ IVAN BERMEJO-MORENO形象。
Bermejo-Moreno说，冲击波的影响在较大的球形结构而不是较小的球形结构的情况下尤其显著，因为较大的球形更容易发生“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，“你会认为它们需要更长的时间来扩散，但它们经历的湍流混合将更多地受益于激波相互作用，这将更快地将它们分解成更小的结构。”
如果你再想想食用染料的情况，小滴的食用染料越多，染料就越容易溶解在水中并与之结合形成新的溶液。
“如果你能有更好的混合，这将有助于提高推进系统的性能，”Bermejo-Moreno说。
告知未来的建议
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。他说:“我们将长期跟踪湍流结构，从结构动力学的角度了解粘性剪切是如何影响混合过程的。”
目前，Bermejo-Moreno表示，在提供现实世界的建议之前，还有其他因素会最终影响推进性能，但这是向前迈出的一步。
这项研究是由陆军研究办公室资助的(Grant W911NF2010096，项目经理Matthew Munson)。部分有贡献的研究是在2018年湍流研究中心(斯坦福大学)的夏季项目期间进行的。支持这项工作的计算机资源由南加州大学高级研究计算中心(CARC)和能源部在阿贡国家实验室阿贡领导计算设施的INCITE分配。
出版于2021年11月17日
最后更新于2021年11月17日
