國防科普加油站（6）新型流場可視化：助推高速飛行器發(fā)展

空氣無處不在，卻看不見、摸不著。當人們要形容某個“不可能”的事物時，往往會說“好比要將空氣抓在手里一樣難”。其實，空氣也是一種物質(zhì)，不僅有含有生命必須的氧氣，更有能推動人類進步發(fā)展的科學，如空氣動力學、流體力學、飛行原理等。生活中常常會發(fā)現(xiàn)，當有空氣流動經(jīng)過物體，或者物體在空氣中運動時，或多或少都受到空氣的作用，并產(chǎn)生不可思議的神奇現(xiàn)象，比如飛機能夠在天空飛行而不會掉下來；足球比賽中令守門員難以判斷的香蕉球、電梯球；表面光滑的高爾夫球沒有表面粗糙的高爾夫球飛得遠，等等，皆因看不見的空氣所為。

在物體或是飛行器飛行過程中，它被空氣圍繞著的周圍就形成了一個相對運動的特殊空間環(huán)境，即流場――能夠?qū)ξ矬w或是飛行器產(chǎn)生影響的流體流動所占據(jù)的空間，也可以理解為某一時刻由物體或飛行器飛行所引起的氣流運動的空間分布。

流場里蘊含著無窮的科學奧秘，與物體運動特別是高速飛行緊密關(guān)聯(lián)，從地面上高速行駛的列車到天空飛行的飛機、導彈等，無不需要考慮流場的影響，并巧妙地“取長補短”，順勢而為。以飛行器為例，飛行時周圍區(qū)域的空氣速度、壓強、溫度等參數(shù)在時間和空間上發(fā)生變化，科學家運用這種變化產(chǎn)生的氣動力，通過對飛行器推進系統(tǒng)、外形設(shè)計、速度設(shè)定與操控，讓飛行器獲得重力方向相反的升力，從而使它能翱翔藍天。同時運用氣動力作用點與飛行器重心不重合特點產(chǎn)生的力矩作用，改變飛行姿態(tài)、調(diào)整飛行方向，比如俯仰、盤旋、滾轉(zhuǎn)，以及讓戰(zhàn)斗機做出“眼鏡蛇機動”等。流場對飛行器帶來的不利因素同樣需要加以克服和削減，像高速飛行器與空氣產(chǎn)生摩擦的“氣動加熱”的現(xiàn)象，必須進行熱防護設(shè)計和采用防燒灼優(yōu)質(zhì)材料，正如我們看到“神舟”飛船返回大氣層時產(chǎn)生的燒灼而不會影響航天員安全一樣。由此可見，流場對飛行器的飛行性能與安全舉足輕重，了解飛行器流場的特性，是一切飛行器設(shè)計與研制的關(guān)鍵之一。

戰(zhàn)斗機脫體渦流動顯示

流場與空氣一樣看不見、摸不著，卻比空氣更加神秘莫測，因為流體的運動是一個非常復雜的過程，涉及眾多學科，如流體力學的主要任務(wù)就是研究流場中的流動。

流場的復雜性在于，流場里既有相對均勻的氣流、略有彎曲的流線組成的氣流，又有大大小小，以不同方向和不同速度旋轉(zhuǎn)的旋渦，就如同在水流中看到的漩渦一樣，這些使得流場中不同位置上的速度大小和方向不斷改變，難以捉摸，專業(yè)上稱之為奇異線流場，還有被稱為奇異點的風速為零的靜風點流場。

研究如此復雜的流場，首先遇到的問題就是如何讓其看得見、摸得著。早在1883年，英國科學家雷諾通過用滴管在流體內(nèi)注入有色顏料的方式觀察水流的運動現(xiàn)象。當水流速度較慢時，水流呈現(xiàn)層狀有序的直線運動，相互平行的水流之間沒有相互運動。當流速增大時水流則呈現(xiàn)無規(guī)則的雜亂運動，水流出現(xiàn)相互摻混的現(xiàn)象。由此發(fā)現(xiàn)了“層流”“湍流”兩個科學概念。從水流聯(lián)想到空中，夏天在家里點燃蚊香的煙、工廠煙囪冒出煙，有時也會產(chǎn)生相似的流動現(xiàn)象。后來，奧地利科學家馬赫在利用紋影可視化技術(shù)研究飛行拋射體時，發(fā)現(xiàn)了只有在物體運動速度超過聲速時、在物體前方存在流動現(xiàn)象，就是后來大家熟知的激波現(xiàn)象，成為超聲速空氣動力學研究的一個重要成果。此后，流場可視化技術(shù)不斷發(fā)展，特別是隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和高分辨圖形顯示設(shè)備的出現(xiàn)，流場可視化相繼出現(xiàn)了壁面示蹤法、絲線法、直接注入示蹤法、化學示蹤法、電控法及光學示蹤法等多種類型幾十種方法，實現(xiàn)了在同一時刻描述全場流態(tài)的技術(shù)跨越，讓看不見、摸不著的神秘流場，變成了“可見”和“可感覺到”，如今，流場可視化技術(shù)不僅應用于流體力學和空氣動力學的基礎(chǔ)研究，在航空、航天、交通運輸、橋梁建筑、大氣海洋、醫(yī)學、生物、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也獲得了廣泛應用。

邊界層流動顯示（上：示意圖，下：實驗圖像）

讓看不見的流場顯露崢嶸，現(xiàn)代科技進步有力推動了流場可視化發(fā)展，借助流場可視化，科研人員可以直觀了解飛行器流場的復雜空氣動力現(xiàn)象，探索飛行器流場物理機制和運動規(guī)律，研究和解決困擾飛行器研制的相關(guān)技術(shù)難題。如通過流場可視化技術(shù)摸清并掌握了機翼脫體渦現(xiàn)象，直接推動了飛機器設(shè)計創(chuàng)新突破，鴨翼布局、邊條翼布局等主流戰(zhàn)斗機應運而生。通過對飛行器表面流動開展可視化研究，確定氣流分離出現(xiàn)的具體位置，有效解決了飛行器表面氣流分離現(xiàn)象可能導致其失速的安全問題。由此可見，流場可視化技術(shù)在航空航天領(lǐng)域有十分重要的作用，它能直觀揭示飛行器流場形態(tài)，幫助科研人員研究和掌握飛行器流場物理機制和氣動規(guī)律，直接助推飛行器的發(fā)展。

飛行是人類孜孜以求的夢想，飛得更高、更快、更好是人類的不懈追求。然而，隨著飛行速度的不斷增加，飛行器與周圍空氣相對運動時產(chǎn)生的流動現(xiàn)象越發(fā)復雜，傳統(tǒng)的流場可視化技術(shù) 已顯得力不從心。特別是高速飛行器流場動能大、滯止溫度高，強烈的激波和粘性摩擦阻力，使飛行器流場溫度加熱到數(shù)千攝氏度，流場表現(xiàn)出的非線性、非平衡、多尺度等特征，可導致飛行器流場特性劇烈變化，變得更加難以預測，嚴重制約和阻礙了高速飛行器的發(fā)展。

子彈出膛瞬間的光學方法流場顯示

近年來，流場可視化技術(shù)日益受到世界軍事強國的高度重視，為準確和全面地再現(xiàn)復雜多變的高速飛行器流場，破解制約高速飛行器研制的空氣動力學難題，許多國家正致力于發(fā)展性能更加優(yōu)良的高速飛行器流場可視化技術(shù)。經(jīng)過不懈探索和大膽創(chuàng)新，目前已有多種新型流場可視化技術(shù)相繼問世，其中一種“基于納米示蹤的高速流場可視化技術(shù)”，通過以介于微米尺度和分子尺度之間的納米尺度粒子為示蹤物，較好地解決了傳統(tǒng)微米示蹤物不能準確反映真實流動的難題，其成像信號比分子示蹤物的成像信號的大幅增強，使流場可視化質(zhì)量得到極大改善和提升，它能對流場速度場、密度場、湍流脈動及氣動光學波前等飛行器流場參數(shù)進行高分辨率試驗測量。該技術(shù)在高速飛行器流場方面取得了較好的效果，逐步實現(xiàn)了對超聲速、高速飛行器流場的高質(zhì)量可視化，解決了一系列困擾高速飛行器氣動設(shè)計相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題，同時也推動了高速飛行器湍流基礎(chǔ)研究的進步，為破解高速飛行器氣動難題提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

高速飛行器流場可視化圖像

如同顯微鏡的發(fā)明開啟了研究微觀世界的紀元，隨著新型流場可視化技術(shù)的發(fā)展，科學家們將獲得更加準確的精細流動圖像和流場信息，為研究和破解高速和高超聲速飛行器面臨的空氣動力學問題打開了一扇新的窗口。未來，不斷涌現(xiàn)的各種新型流場可視化技術(shù)將成為高速飛行器發(fā)展的強大助力。（作者：王握文、朱晰然、毛元昊 來源：國防科技大學科普中國共建基地）