研究观察到流动突然加速产生新的边界层

在一项关于湍流边界层如何响应周围流动加速度的实验中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的航空航天工程师观察到了意想不到的内部边界层。

“我们不仅能够识别新的内部边界层，而且能够系统地跟踪其高度，以便了解其增长率。我们还注意到，只有当我们的压力分级、加速度足够强时，它才会形成。AE 教授 Theresa Saxton-Fox 说：“有一个阈值，在这个阈值下我们看不到这种现象的发生，而这是以前不知道的。”

(资料图片仅供参考)

她解释说，边界层是流体的一个薄层区域，由于与表面的摩擦，流动速度减慢，而内部层是边界层内部的边界层，就像嵌套娃娃一样。

“内部边界层从根本上改变了流动的行为，与没有它时的预期不同，”她说。

在设计新车辆时，了解边界层如何响应车辆形状至关重要，因为响应会改变车辆上的力。但当前边界层如何响应曲率的计算机模型并不正确，使得设计过程充满挑战、昂贵且有风险。改进湍流模型以更好地预测新颖的设计非常重要。

“我们无法提前预测复杂几何形状下的流动情况。这就是为什么我们想要查看许多不同的加速度曲线，不仅了解一种配置，还了解 22 种不同的形状，以便更好地理解，”她说。

据Saxton-Fox介绍，风洞实验的基本设置已经完成;其新颖之处在于它可以轻松地重新配置。这使他们能够测试许多几何形状，希望提供数据来制作在各种车辆形状上都准确的稳健模型。

萨克斯顿·福克斯和她的博士学位。学生 Aadhy Parthasarathy 通过让风洞顶部小面板的曲率弯曲，让一块平板经受 22 个压力梯度。这种形状的变化会产生压力的变化，从而影响水流的加速度，就像将拇指放在水管上会使边缘周围的水流移动得更快一样。

她说，当她第一次看到内部边界层时，她认为出了什么问题。从那时起，她了解到该领域的其他人也看到了类似的情况并做出了同样的反应。

“他们看到这些内部层的形成，并认为它们是由实验中的错误引起的，因此他们不相信自己的数据。我开始确信该层是真实的，因为只有当我们的天花板充分偏转时它才会出现，”她说。“我们没有对表面进行任何改变。盘子是一样的。我们回到文学。研究人员，甚至是我导师的导师，都在 80 年代看到过它，但从未对其进行过充分的表征。”

识别这个新的边界层很重要，因为它将有助于理解复杂的空气动力学物理学。研究中产生的加速度曲线类型与机翼上的流动和会聚/发散喷嘴中发现的加速度曲线类型类似。

“当流动不遵循几何形状并忽略我们要求它做的事情时，就会导致很多大问题，例如失速。现在我们已经看到了内部层的存在以及流动如何分离，它可以帮助建模流动和车辆设计。”

该研究由海军研究办公室青年研究员计划奖资助。