Simulering af hypersonisk flow går fra glat til turbulent

For at bryde ud af Jordens nedre bane, hypersoniske køretøjer skal nå hastigheder højere end Mach 5. Ved disse hypersoniske hastigheder, luftpartiklerne og gasserne, der strømmer rundt om køretøjet og interagerer med overfladerne, genererer varme og skaber stødbølger, der forstyrrer strømmens ligevægt. Ny forskning ved University of Illinois i Urbana-Champaign skabte en model til at simulere og bedre forstå flowovergange.

"Ved hypersoniske hastigheder, strømmen bevæger sig med høje Mach-tal, men der er også vinger eller klapper på køretøjet. På hvert af disse tidspunkter, du kan have meget stærk recirkulation, hvilket fører til ustabilitet. Det er svært at forudsige, hvor slemt ustabiliteten kan blive, før strømmen ikke længere er jævn, og bliver turbulent, " sagde Deborah Levin, professor i Institut for Luftfartsteknik i College of Engineering ved U of I.

Hun og hendes doktorand Ozgur Tumuklu, sammen med professor Vassilis Theofilis fra University of Liverpool, udført forskning, der bringer en revolutionerende forståelse til området hypersonisk flow.

Levin sagde, at hun studerer flow på et meget grundlæggende niveau for at forstå flowet, de kræfter, som strømmen kan skabe, og hvor lang tid flowet forbliver stabilt i form af mikrosekunder til millisekunder - hurtigere end et øjebliks blink.

"Fra de helt grundlæggende aspekter af flowet, når hastigheden er så høj, gasserne omkring overfladerne bliver meget varme, " Levin forklarede. "Friktionsvarmen begynder at forårsage kemiske reaktioner. Gassen forbliver ikke længere 79 procent nitrogen og 21 procent ilt, som vi har i vores atmosfære.

"Når alle disse virkninger opstår, de kaldes ikke-ligevægtseffekter. Det er et fænomen, der opstår, når luften bliver tyndere, når du bevæger dig hurtigere, " sagde Levin. "For at koble alt det - uligevægten og stabiliteten - er det det, der virkelig er nyt ved denne forskning og ikke er blevet gjort før. Resultatet af denne forskning er en model og evnen til nu at bruge denne teknik i fremtiden til at designe former og inducere kemiske reaktioner, der vil eller ikke vil inducere stabilitet eller slukke den."

Levin sagde, at noget af det originale arbejde på dette felt begyndte med eksperimenter på U of I med professor Joanna Austin, før du rejser til en stilling hos California Technical. En stor del af hendes arbejde i Illinois var at designe et nyt anlæg, der kunne måle nogle af funktionerne ved flow.

"Hun har et hypervelocity ekspansionsrør - en klasse af måleteknikker, der kan bruges til at inducere et flow over en dobbeltkilet model på størrelse med min hånd, " sagde Levin. "Dr. Austin skaber et hypersonisk flow over hele modellen. Det brugte en enorm energi til at udføre, men det kan bruges til lavdensitet (tyndere luft) tilfælde. Men den dobbelte kile kan være en svær form at forstå, hvad der foregår. Vi kørte adskillige simuleringer, men kunne ikke få flowet til at nå et stabilt eller stabilt resultat."

Levin sagde, at samarbejdet med Theofilis hjalp med at flytte arbejdet fremad, især med hensyn til en ny tilgang og mod modellens form.

"Han sagde til mig, 'Jeg ved, at denne tilstand [sic double wedge] er svær at forstå ud fra et stabilitetssynspunkt, men hvis du begynder at udskrive fra dine flowberegninger temperaturen her, her, og her, du vil se, at temperaturen aldrig vil stabilisere sig. Du vil se hvirvler og hvirvler, der kommer og går.' Når en ekspert fortæller dig, at du er opmærksom, " sagde Levin.

En ting, de gjorde, før de forlod den dobbelte kile, var at "kunstigt reducere forholdene i hyperhastigheds-ekspansionsrøret med en faktor på omkring en ottendedel, " sagde Levin. "Vi så stadig mange af funktionerne som stødene, og recirkulation, men strømmen faldt til ro, og vi var i stand til at simulere en steady state."

Forskerne lagde den dobbelte kile til side for øjeblikket og flyttede til et dobbelt kegledesign som model. Levin sagde, "Den har aksial symmetri - som en top, den har symmetri omkring alle vinkler - hvilket gør det meget nemmere at beregne."

Forskningen gav ny forståelse for overgangspunkterne i flow fra jævn til turbulent, som i sidste ende kan informere sikrere køretøjsdesign.