Kontrol af ustabilitet giver et nærmere kig på kemi fra hypersoniske køretøjer

Mens man studerer de kemiske reaktioner, der opstår i strømmen af ​​gasser omkring et køretøj, der bevæger sig med hypersoniske hastigheder, forskere ved University of Illinois brugte en less-is-more-metode til at opnå større forståelse af kemiske reaktioners rolle i at modificere ustabile strømninger, der opstår i det hypersoniske flow omkring en dobbeltkileform.

"Vi reducerede presset med en faktor på otte, hvilket er noget, eksperimentelister ikke kunne gøre, "sagde Deborah Levin, forsker ved Institut for Aerospace Engineering ved University of Illinois i Urbana-Champaign. "I et egentligt kammer, de forsøgte at reducere trykket, men kunne ikke reducere det så meget, fordi apparaterne er designet til at fungere inden for en bestemt region. De kunne ikke betjene det, hvis trykket var for lavt. Da vi reducerede trykket i simuleringen, vi fandt ud af, at ustabiliteten i strømmen faldt til ro. Vi havde stadig meget af den slags hvirvelstruktur - separationsbobler og hvirvler - de var der stadig. Men dataene var mere overførbare, mere forståelige med hensyn til deres tidsvariation. "

Levin udførte forskningen sammen med hende, derefter, doktorand Ozgur Tumuklu, og Vassilis Theofilis fra University of Liverpool.

Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) tilgang, en high-fidelity fysisk tilgang blev brugt til at simulere den hypersoniske strømning. Men, som enhver metode, det har fordele og ulemper. En ulempe er, at det skaber strømmen ved at indsamle store mængder kollisionsdata, producere bunker og bunker af partikeldata, og med det, statistisk støj.

Forskerne fodrede DSMC -resultaterne ind i et vindues -ordentligt ortogonalt nedbrydningsprogram, et eksempel på en såkaldt reduceret ordremodel for at gøre analyserne af DSMC-resultaternes tidsadfærd meget mere gennemførlige.

"Det er en meget smart metode, der er mere håndterbar og kan reducere beregningsindsatsen, "Sagde Levin." Før vi havde denne teknik, vi ville vælge tredimensionelle trykdata, massefylde, og temperatur, som varierer gennem hele flowet over køretøjets ydre form. Vi sad forskellige steder i flowet og indsamlede data ved hvert trin. Det ender med at blive en skattejagt – du ser her, du ser der, uanset hvor du synes, der er en følsom del af strømmen, hvor du kunne se nogle ændringer.

"Den største forskel ved at bruge WPOD er, at den organiserer alle de rumlige data, som ændrer sig som en funktion af tiden, og det giver dig en ide om, hvad det mener er henfaldsmåderne, "Sagde Levin.

Ud over anvendelsen af ​​denne nye metode til fortolkning af data, forskerteamet fik ny viden om de kemiske reaktioner, der sker i hypersonisk strømning. Undersøgelsen undersøgte tre typer gassammensætninger - molekylært nitrogen, ikke-reagerende luft bestående af molekylært nitrogen og ilt, og at reagere luft med oxygendissociation og nitrogenoxidudvekslingsreaktionerne.

"Vi lærte om vibrationstemperaturer, " sagde Levin. "Disse er normalt meget svære at beregne. Vi lærte om at være i stand til at forudsige kemiske arter, som nitrogenoxid - en forbindelse i gasfasen, der kun findes i meget små mængder. Det er produceret i hypersoniske strømme i én ud af tusinde partikler. Det er ikke en vigtig komponent, som 79 procent nitrogen, men det er meget vigtigt, og vi ville være i stand til at forudsige det. Ved hjælp af denne teknik, vi var i stand til at gøre det så meget lettere. På grund af det var vi i stand til at forstå, hvilken effekt kemien havde i den strømning, der producerede nitrogenoxid, og hvordan det påvirkede de forskellige stabilitetstilstande."

Tumuklu lavede korte videoer ved at gemme alle data i rammer, derefter fremskynde det for at vise, hvordan strømmen udvikler sig over tid. Selvom det er svært at se med et utrænet øje, Levin sagde, at videoen viser forskellen i den måde, stødene interagerer på for nitrogenkassen, der ikke har nogen kemiske reaktioner og den reagerende luftkase på 79 procent nitrogen og 21 procent ilt, som er luftens sammensætning i Jordens atmosfære.

"Der er også en funktion kaldet 'triple point' repræsenteret med en rød prik på videoen. Hvis du ser meget nøje ud, ved de to videoer, det tredobbelte punkt på nitrogenskassen bevæger sig aldrig; det forbliver på et sted, mens alt bevæger sig omkring det.

Men i tilfælde af den reagerende luft, det tredobbelte punkt bevæger sig. Det svinger frem og tilbage med alt andet, der stadig bevæger sig rundt om det, "Sagde Levin." Dette fortalte os, hvad de effektive kemiske reaktioner var. De dumper ekstra varme eller energi i strømmen, som ændrer ustabiliteten, den ustabile adfærd.

Levin sagde flydesignere over design for at kompensere for ikke at kende de nøjagtige behov - f.eks. den mindste tykkelse, der er nødvendig for et varmeskjold.

"Ultimativt, gennem denne grundforskning, vi får nogle svar nogle tommelfingerregler for mennesker, der er på designniveau, "sagde hun." De skal ikke køre petascale -beregninger, men de ved, at hvis de har bestemte former i bestemte positioner i forhold til angrebsvinklen, de skal bekymre sig om ustabilitet, når de designer rumfartøjer til sikker genindtræden i Jordens atmosfære eller andre atmosfærer. De kan tage en klap ud eller flytte en klap til en kontroloverflade for at minimere eller forhindre ustabilitet. "

Studiet, "Modal analyse med korrekt ortogonal nedbrydning af hypersoniske adskilte strømme over en dobbelt kile, " blev dirigeret af Deborah Levin og Ozgur Tumuklu fra University of Illinois, og Vassilis Theofilis fra University of Liverpool. Det fremgår af journalen, Fysisk gennemgangsvæske .