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(dāng)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(shí)，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(jìn)步發(fā)展的科學(xué)，如空氣動力學(xué)、流體力學(xué)、飛行原理等。生活中常常會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有空氣流動經(jīng)過物體，或者物體在空氣中運(yùn)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(jī)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(yuǎn)，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(yùn)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(yùn)動的空間分布。

流場里蘊(yùn)含著無窮的科學(xué)奧秘，與物體運(yùn)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(jī)、導(dǎo)彈等，無不需要考慮流場的影響，并巧妙地“取長補(bǔ)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(qiáng)、溫度等參數(shù)在時間和空間上發(fā)生變化，科學(xué)家運(yùn)用這種變化產(chǎn)生的氣動力，通過對飛行器推進(jìn)系統(tǒng)、外形設(shè)計(jì)、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(lán)天。同時運(yùn)用氣動力作用點(diǎn)與飛行器重心不重合特點(diǎn)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(jī)做出“眼鏡蛇機(jī)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(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計(jì)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(jì)與研制的關(guān)鍵之一。

戰(zhàn)斗機(jī)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?yàn)榱黧w的運(yùn)動是一個非常復(fù)雜的過程，涉及眾多學(xué)科，如流體力學(xué)的主要任務(wù)就是研究流場中的流動。

流場的復(fù)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(diǎn)的風(fēng)速為零的靜風(fēng)點(diǎn)流場。

研究如此復(fù)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(xué)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(yùn)動現(xiàn)象。當(dāng)水流速度較慢時，水流呈現(xiàn)層狀有序的直線運(yùn)動，相互平行的水流之間沒有相互運(yùn)動。當(dāng)流速增大時水流則呈現(xiàn)無規(guī)則的雜亂運(yùn)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(xué)概念。從水流聯(lián)想到空中，夏天在家里點(diǎn)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(xué)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(yùn)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(xué)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(jì)算機(jī)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(xué)示蹤法、電控法及光學(xué)示蹤法等多種類型幾十種方法，實(shí)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(yīng)用于流體力學(xué)和空氣動力學(xué)的基礎(chǔ)研究，在航空、航天、交通運(yùn)輸、橋梁建筑、大氣海洋、醫(yī)學(xué)、生物、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也獲得了廣泛應(yīng)用。

邊界層流動顯示（上：示意圖，下：實(shí)驗(yàn)圖像）

讓看不見的流場顯露崢嶸，現(xiàn)代科技進(jìn)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(fù)雜空氣動力現(xiàn)象，探索飛行器流場物理機(jī)制和運(yùn)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(jī)翼脫體渦現(xiàn)象，直接推動了飛機(jī)器設(shè)計(jì)創(chuàng)新突破，鴨翼布局、邊條翼布局等主流戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)運(yùn)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(dǎo)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(jī)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(yùn)動時產(chǎn)生的流動現(xiàn)象越發(fā)復(fù)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(qiáng)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(dǎo)致飛行器流場特性劇烈變化，變得更加難以預(yù)測，嚴(yán)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(xué)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(qiáng)國的高度重視，為準(zhǔn)確和全面地再現(xiàn)復(fù)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(xué)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(zhǔn)確反映真實(shí)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(qiáng)，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(xué)波前等飛行器流場參數(shù)進(jìn)行高分辨率試驗(yàn)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(shí)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(jì)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(jìn)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(jì)元，隨著新型流場可視化技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們將獲得更加準(zhǔn)確的精細(xì)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(xué)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(qiáng)大助力。（作者：王握文、朱晰然、毛元昊 來源：國防科技大學(xué)科普中國共建基地）