文|史这样滴
编辑|史这样滴
前言在现代，高超音速航空飞行器极其依赖于其吸气推进系统，然而，推进系统面临的突出问题是被称为边界层相互作用，它会导致边界层分离和不利的压力梯度。
这种现象最终导致进气段的总压力损失和流动变形，所有这些都降低了高超音速飞行器的整体推进效率。
因此，必须在开始或整个交互过程中应用流量控制机制，以防止边界层分离，同时即使在非设计条件下也能保持高效率。
而微斜坡是最近开发的一种新型流量控制装置，它是微涡流发生器系列的一部分，在解决不良现象方面显示出潜力，术语“微”是指具有小于边界层厚度δ的高度的器件，关于微斜坡高度占流量δ的百分比一直存在永无止境的争议。
但目前大多数工程师在研制过程中都规定范围在30%-90%之间，由于微斜坡的尺寸小，它嵌入在边界层内，这是为了减少相对于传统全尺寸涡流发生器的寄生阻力，除此之外可以列出的优势是成本效益，物理坚固性和电源的独立性。
由微斜坡产生的逆流漩涡向下游传播，有助于抑制边界层影响，并通过产生上洗和下洗运动来改善边界层的状态，该运动将壁面的低动量流传输到边界层的外部区域，这样可以创建了一个更健康、更坚固、不易分离的边界层。
后来，研究人员在数值研究中详细介绍了微斜坡下游区域的流动特征，由于这种流动特征具有不稳定性，导致他们微斜坡的顶点发现了一连串涡环结构，这些环结构进一步向下游传播并与撞击冲击波相互作用。
这种结果最终扭曲冲击波的结构，从而降低其强度，科研者们发现并确定了涡环的存在，但是他们无法阐明涡环与撞击冲击波之间相互作用的影响。
我们前面提到的大多数关于微斜坡的研究都是在超音速条件下进行的，因此必须对微斜坡操纵高超声速流动的能力进行研究，从而改善由入射冲击引起的分离边界层。
这项研究的结果不仅对理解高超音速流动中微斜坡的效率至关重要，而且对数字代码的开发和验证也至关重要，本研究的主要目的是探索微斜坡上动的行为及其在抑制由5马赫而引起的湍流边界层分离方面的潜力。
此次所有实验均以5马赫进行，下图所示的高超音速排污风洞的运行停滞压力设定为6.50×105帕（±5×103Pa）和375K（±5K）的停滞温度，自由流雷诺数在不超过3.7%的值上波动，被认为足够小，流的克努森数被计算为一个小值，5.6×10−7.因此我们将流动视为连续介质。
在这项研究中，一共测试了两种名为MR80和MR40的微斜坡模型，上图中列出了两种型号的详细特性，MR80和MR40的高度分别为边界层厚度的80%和40%。
此次在微坡道的位置估计为5.89毫米，边界层厚度定义为从壁到流速基本上达到自由流速度的点的距离，U∞.这是通过使用高速纹影图像的初步调查获得的，该值的误差计算为总厚度的1.4%。
曼彻斯特大学空气物理实验室配备了纹影系统，该系统由脉冲光子连续光源组成，带有聚焦透镜和2毫米宽的狭缝，两个f=9抛物面镀银镜。
一个刀刃和一个用于聚焦目的的Hoya49mm 2微距透镜，为了捕捉图像，使用了佳能数码单反相机，同时还使用高速摄像机，以10000fps的速度进行高速图像记录。
我们在设置中使用的油流配方已针对当前实验条件进行了优化，这确保了油不会太快干燥，从而有足够的时间建立流量，但同时它不会粘稠到不遵循流线，该混合物由石蜡、荧光色粉、硅油和油酸组成。
此次使用的荧光粉的平均晶粒尺寸为10μm，两个带有20毫米长的600W荧光灯管紫外光源以45°角安装在测试部分窗口的两侧，以照亮混合物，将灯安装在测试部分的两侧，可提供最佳照明。
同时这将直接暴露在相机上，它还防止了阴影作为模型的直接结果而发生，否则仅在一侧使用光线就会发生阴影。
而数码单反相机尼康9012万像素镜头会用于录制跑步的高清视频，它能够以105×241的分辨率录制280fps视频，然后使用开源软件从视频中提取单个图像。
由于测试部分窗口的位置，无法垂直于平板表面放置相机，因此，它以与垂直平面720.20°的角度安装。
为了研究微斜坡在控制SBLI方面的有效性，需要产生斜冲击波并最终撞击微斜坡位置下游的平板，因此通过将冲击发生器安装在测试部分的天花板上来安装冲击发生器。
而冲击发生器在微斜坡中心下游34.14δ的位置产生2°倾斜冲击，该位置正好位于第4排压力敲击上，该装置拒绝了隧道光学窗口的进入，因此只能使用这种设置进行压力测量实验。
我们观察到来自微斜坡前缘的明显可见的强冲击波，而在模型的后缘可以看到较弱的冲击波，而其他可见的冲击波来自平板前缘和喷嘴出口。
因为正常纹影中的曝光时间太长，高速纹影的曝光时间为1μs，而普通纹影的曝光时间为250μs，当边界层接近微斜坡的前缘时，观察到边界层的突然增长，从我们还可以看出，微斜坡浸没在边界层中，这满足了第1节中解释的微涡发生器的标准。
这两者冲击结构看上去似乎相似，但是与MR80相比，观察到来自MR40前缘的较粗冲击线，由于模型尺寸的显着差异，这表明冲击力更强，这是由于表面积较大，模型越大，流转越多;因此需要更强的冲击。
这也显示了MR40和MR80型号的表面流可视化图像，靠近中心线的MR80次级涡明显更大，并且在模型下游也形成了更大的尾流区域，未被石油覆盖的下游区域也更大，描绘了更大的初级涡旋的产生。
通过量化微斜坡与其尾流之间关系的有效方法是通过比例分析，需要以高分辨率详细测量尾流中形成的涡旋大小和结构，而现有仪器无法做到这一点，在MR80前缘附近，由于分离区域较大，可以看到更多的油堆积。
令人惊讶的是，在隧道运行并且空气通过喷嘴出口后，油没有被吹走并保持在其位置，这表明在微斜坡的侧面存在一个低剪切区域，即使这与开始产生初级涡旋的位置相吻合，由此可以推测，初级涡流在前缘下游一定距离后开始接触壁表面。
对于这种情况，我们进行了进一步的图像处理，原始图像被导入Davis，并执行了许多后处理算法，包括过滤，通过这样做，流动结构变得更加明显。
除了前面提到的马蹄涡和次级涡旋的结构更清晰外，可以观察到位于第一对次级涡之间的另一对次级涡旋，它们突然出现在微斜坡顶点下游2.2δ处，微斜坡弦边缘的明线代表从模型前缘延伸到顶点的分离线。
这同时映射两种型号平板表面温度的红外图像中可以看到两种模型的不同大小的初级涡流，还可以看出，初级涡旋起源于微斜坡前缘后0.5δ，随着漩涡向下游发展，它们变得越来越大。
它们突然出现在初级涡流的位置之间，并向下游延伸，这是通过略高的温度条纹来识别的，该温度条纹始于微斜坡顶点下游约0.4δ的位置，但是，中看不到相同的特征，这被认为是由于产生的涡流较弱和较小。
但是它们无法被红外摄像机捕获，因此这需要更高的空间分辨率来评估这一点，在微斜坡顶点下游0.5δ的轮廓线上的斯坦顿数图，每个图都确定了两个峰值，代表产生的主涡，对于MR80，涡流相对于自由流的位置的斯坦顿数更高。
这意味着MR80产生更强的涡流，将更多的热量传递到表面。
这代表了微斜坡的存在被证明可以延迟由撞击冲击引起的压力上升，或者换句话说，在设法减少了上游相互作用长度，请注意，Xs是第2.6节中所述的冲击冲击位置。
在这里我们可以看到，MR40和MR80之间的差异仅为3%，与尺寸相比，这是一个很小的数量，两者之间是两倍，因此，由于使用较小的微斜坡可以进行几乎相同的改进，这也是较大斜坡的一半重量。
因此最终我们得出结论，使用较小的模型将导致有益的流量控制，从而减轻重量并减少阻力损失，当然压力梯度从一开始就增加，以及从MR2观察到的X=80处更高的压力读数被认为是抑制边界层分离的积极迹象，最终我们也得到了证实。
后记目前的研究扩大了在微坡道上进行的集体研究工作的范围，使其受到5马赫的流动，采用不同的实验技术对微斜坡上的流动结构进行了定性和定量表征，纹影图像显示了与微斜坡的存在相关的基本激波结构。
与边界层相比，微斜坡的高度，正如预期的那样，微斜坡被证明完全浸入边界层内，并验证了术语“微”，在表面流可视化中显示至少存在四对不同大小的涡旋，利用红外热成像技术捕获了微斜坡上游的分离区域。
不过使用这种方法只能观察到一对初级涡旋，压力测量证明，微斜坡的存在通过延缓压力上升来减少上游相互作用长度，从而抑制SBLIs效应。
总体而言，研究中所做的实验工作显示出巨大的潜力，有助于对与微斜坡相关的基本流动物理学及其在控制SBLI中的作用的一般理解做出更多贡献。
参考文献：
1Delery，J.M.冲击/波浪/湍流边界层相互作用及其控制，航空科学进展1985，22，209–280.[谷歌学术]
2Dolling，D.S.冲击波/边界层相互作用研究五十年：下一步是什么？美国建筑师协会2001，39，1517–1532.[谷歌学术][交叉参考]
3麦考密克，哥伦比亚特区与涡流发生器和被动腔的冲击/边界层相互作用控制，美国建筑师协会1993，31，91–96.[谷歌学术]
