Klokken 3, 836 mph, hvilken vej strømmer luften?

Hvis du nogensinde har været til et luftshow, eller boede i nærheden af ​​en luftvåbenbase, du er bekendt med sonic booms.

Disse øredøvende lyde skabes af fly, der overstiger lydens hastighed, omkring 767 mph (1234 km/t). De forklarer, delvis, hvorfor passagerfly sejler i luften med langsommere og mindre auditivt stødende hastigheder.

University at Buffalo luftfartsingeniør James Chen arbejder på at løse problemer forbundet med at overskride lydbarrieren.

"Forestil dig at flyve fra New York City til Los Angeles på en time. Forestil dig utroligt hurtige ubemandede luftfartøjer, der giver mere opdateret og nuanceret information om Jordens atmosfære, som kunne hjælpe os med bedre at forudsige dødelige storme, " siger Chen, Ph.D., adjunkt ved Institut for Maskin- og Luftfartsteknik ved UB's Ingeniørhøjskole.

Chen er den tilsvarende forfatter til en undersøgelse offentliggjort 3. januar i Journal of Engineering Mathematics . Undersøgelsen vedrører den østrigske fysiker Ludwig Boltzmanns klassiske kinetiske teori, som bruger gasmolekylers bevægelse til at forklare dagligdags fænomener, såsom temperatur og tryk.

Chens arbejde udvider klassisk kinetisk teori til højhastigheds aerodynamik, inklusive hypersonisk hastighed, som begynder kl 3, 836 mph (6173 km/t) eller cirka fem gange lydens hastighed. Den nye undersøgelse og andre af Chen i indflydelsesrige akademiske tidsskrifter forsøger at løse langvarige problemer forbundet med højhastigheds aerodynamik.

Supersoniske passagerjetfly

Ideen om supersoniske passagerjetfly er ikke ny. Måske den mest berømte er Concorde, som fløj fra 1976-2003. Selvom det lykkedes, det var forfulgt af støjklager og dyre driftsomkostninger.

For nylig, Boeing annoncerede planer for et hypersonisk passagerfly, og NASA arbejder på et supersonisk projekt kaldet QueSST, forkortelse for Quiet Supersonic Technology.

"Reduktion af den berygtede soniske boom er kun en start. I supersonisk flyvning, vi skal nu besvare det sidste uløste problem i klassisk fysik:turbulens, " siger Chen, hvis arbejde er finansieret af U.S. Air Force's Young Investigator Program, som støtter ingeniører og videnskabsmænd, der viser enestående evner og løfter om at udføre grundforskning.

For at skabe mere effektive, billigere og mere støjsvage fly, der overstiger lydmuren, forskningsmiljøet skal bedre forstå, hvad der sker med luften omkring disse køretøjer.

"Der er så meget, vi ikke ved om luftstrømmen, når man når hypersoniske hastigheder. F.eks. hvirvler dannes omkring flyet og skaber turbulens, der påvirker, hvordan fly manøvrerer gennem atmosfæren, " han siger.

Morphing kontinuum teori

For at løse disse komplekse problemer, forskere har historisk brugt vindtunneller, som er forskningslaboratorier, der replikerer de forhold, køretøjer møder, mens de er i luften eller rummet. Selvom det er effektivt, disse laboratorier kan være dyre at drive og vedligeholde.

Som resultat, mange forskere, herunder Chen, har drejet mod direkte numeriske simuleringer (DNS).

"DNS med højtydende databehandling kan hjælpe med at løse turbulensproblemer. Men de ligninger, vi har brugt, baseret på arbejdet af Navier og Stokes, er i det væsentlige ugyldige ved supersoniske og hypersoniske hastigheder, " siger Chen.

Hans arbejde i Journal of Engineering Mathematics centrerer sig om morphing continuum theory (MCT), som er baseret på felterne mekanik og kinetisk teori. MCT har til formål at give forskere beregningsvenlige ligninger og en teori til at løse problemer med hypersonisk turbulens.

"Center for Computational Research på UB giver en perfekt platform for mit team og mig på Multiscale Computational Physics Lab til at forfølge disse vanskelige højhastigheds aerodynamiske problemer med højtydende databehandling, " siger Chen.

Ultimativt, arbejdet kan føre til fremskridt i, hvordan supersoniske og hypersoniske fly er designet, alt fra køretøjets form til hvilke materialer det er lavet af. Målet, han siger, er en ny klasse fly, der er hurtigere, mere stille, billigere i drift og sikrere.