●它能讓看不見摸不著的流場顯露「真容」
●它是飛行器氣動力學研究的「透視鏡」
●它為高超聲速飛行器研製提供有力支撐
國防科技大學空天科學學院副教授何霖為您講述——
神奇的流場可視化技術
■解放軍報記者 王握文 通訊員 寧凡明
流場，物體飛行所形成的特殊空間
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裡一樣難」。其實，空氣也是一種物質。從中，人們已經探知總結出空氣動力學、流體力學、飛行原理等諸多專業知識。
人們在生活中常常會發現，當有空氣流動經過物體，或者物體在空氣中運動時，或多或少都受到空氣的作用，並產生一些不可思議的神奇現象。比如，飛機能夠在天空飛行而不會掉下來，足球比賽中的「香蕉球」「電梯球」令守門員防不勝防，表面光滑的高爾夫球卻沒有表面粗糙的高爾夫球飛得遠等等，皆因受到空氣的影響。
在物體或飛行器飛行過程中，它被周圍圍繞著的空氣形成了一個相對運動的特殊空間環境，即流場——能對物體或是飛行器產生影響的流體流動所佔據的空間，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。
流場裡蘊含著許多科學奧秘，都與物體運動特別是高速飛行緊密關聯。從地面上高速行駛的列車到天空飛行的飛機、飛彈等，無不需要考慮流場的影響，並巧妙地「取長補短」，順勢而為。
以飛行器為例，飛行時周圍區域的空氣速度、壓強、溫度等參數，在時間和空間上會發生變化。科學家運用這種變化產生的氣動力，通過對飛行器推進系統、外形設計、速度設定與操控，讓飛行器獲得與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」而產生的力矩作用，來改變飛行姿態、調整飛行方向。比如，讓戰鬥機俯仰、盤旋、滾轉以及做「眼鏡蛇機動」等。
當然，流場對飛行器帶來的不利因素同樣需要加以克服和削減。如高速飛行器與空氣產生摩擦的「氣動加熱」現象，必須進行熱防護設計和採用防燒灼優質材料。正如我們看到「神舟」飛船返回大氣層時產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。了解流場的特性，是飛行器設計與研製的關鍵要素之一。
上圖為高速飛行器流場可視化圖像。
看不見的流場，如何讓它顯露「真容」
流場相對於一般的科學研究領域，更加神秘莫測。因為流體的運動是一個非常複雜的過程，涉及眾多學科。流體力學的主要任務，就是研究流場中的流動問題。
流場的複雜性在於，流場裡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的旋渦。就如同在水流中看到的漩渦一樣，這一切使得流場中不同位置上的速度和方向不斷改變、難以捉摸，專業上稱之為「奇異線流場」。
研究如此複雜的流場，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注入有色顏料的方式，觀察水流的運動現象。當水流速度較慢時，水流呈現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，水流則呈現無規則的雜亂運動，出現相互摻混的現象。由此，發現了「層流」「湍流」兩個科學概念。
從水流聯想到空中，夏天在家裡點燃蚊香的煙、工廠煙囪冒出的煙，有時也會產生相似的流動現象。後來，奧地利科學家馬赫利用紋影可視化技術，在研究飛行拋射體時，發現了只有物體在運動速度超過聲速時，物體前方才會存在流動現象。這成為超聲速空氣動力學研究的一個重要成果。
此後，流場可視化技術不斷發展，特別是隨著計算機技術的迅速發展和高分辨圖形顯示設備的出現，流場可視化技術相繼出現了壁面示蹤法、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，實現了在同一時刻描述全場流態的技術跨越，讓看不見、摸不著的神秘流場，變成了「可見」和「可感覺到」。
如今，流場可視化技術不僅應用於流體力學和空氣動力學的基礎研究，在航空航天、交通運輸、橋梁建築、大氣海洋、醫學生物等領域也獲得了廣泛應用。
新型流場可視化技術，助推高速飛行器研製
藉助流場可視化技術，科研人員可以直觀了解飛行器流場的複雜空氣動力現象，探索飛行器流場物理機制和運動規律，研究和解決困擾飛行器研製的相關技術難題。
如通過流場可視化技術，摸清並掌握了機翼如何產生旋渦的現象，直接推動了飛行器設計創新突破，鴨翼布局、邊條翼布局等主流戰鬥機應運而生。通過對飛行器表面流動開展可視化研究，確定氣流分離出現的具體位置，有效解決了飛行器表面氣流分離現象可能導致其失速的安全問題。
由此可見，流場可視化技術在航空航天領域有著十分重要的作用。它能直觀揭示飛行器流場形態，幫助科研人員研究和掌握飛行器流場物理機制和氣動規律，直接助推飛行器的發展。
讓飛行器飛得更高、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生的流動現象越發複雜，傳統的流場可視化技術已顯得「力不從心」。特別是高速飛行器流場動能大、滯止溫度高，強烈的激波和黏性摩擦阻力，使飛行器流場溫度加熱到數千攝氏度，流場表現出的非線性、非平衡、多尺度等特徵，可導致飛行器流場特性劇烈變化，變得更加難以預測，嚴重製約和阻礙了高速飛行器的發展。
近年來，流場可視化技術日益受到世界軍事強國的高度重視。為準確、全面地再現複雜多變的高速飛行器流場，破解制約高速飛行器研製的空氣動力學難題，許多國家正致力於發展性能更加優良的高速飛行器流場可視化技術。
經過不懈探索和大膽創新，目前已有多種新型流場可視化技術相繼問世。其中，一種「基於納米示蹤的高速流場可視化技術」，通過以納米尺度粒子為示蹤物，較好地解決了傳統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大幅增強，使流場可視化質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進行高解析度試驗測量。
該技術在高速飛行器流場方面取得了較好效果，逐步實現了對超聲速、高速飛行器流場的高質量可視化，解決了一系列困擾高速飛行器氣動設計相關的關鍵技術問題。同時，也推動了高速飛行器湍流基礎研究的進步，為破解高速飛行器氣動難題提供了關鍵技術支撐。
如同顯微鏡的發明開啟了研究微觀世界的新紀元一樣，隨著新型流場可視化技術的發展，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，打開一扇新的窗口。
未來，不斷湧現的各種新型流場可視化技術，將成為高速飛行器發展的強大助力。