Eksperiment måler hastighed i 3-D

Mange af nutidens videnskabelige processer simuleres ved hjælp af computerdrevne matematiske modeller. Men for at en model præcist kan forudsige, hvordan luftstrømmen opfører sig ved høje hastigheder, for eksempel, forskere har brug for supplerende virkelige data. Levering af valideringsdata, ved hjælp af opdaterede metoder, var en nøglemotiverende faktor for en nylig eksperimentel undersøgelse udført af forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

"Vi lavede et fysisk eksperiment, der kunne måle det flowfelt, som andre forsøger at simulere med beregningsmodeller for at forudsige turbulens. Det validerer deres modeller og giver dem yderligere data til at sammenligne deres resultater med, især med hensyn til hastighed, " sagde Kevin Kim, en ph.d.-studerende i Institut for Luftfartsteknik.

Kim sagde, at vindtunnelen, der blev bygget, og designet af eksperimenterne var baseret på simpel geometri og grundlæggende fysik, der gjorde det muligt for dem at manipulere to luftstrømme, den ene fra en lufttank og den anden fra den omgivende rumluft. Der er en fysisk barriere mellem de to vandløb, før de når testsektionen af ​​vindtunnelen, hvor de begynder at blande sig. Der tages billeder af frøpartikler i flowet.

"Der er to dyser, der kommer efter lufttanken. Vi ændrede geometrien på en af ​​dyserne for at ændre det overordnede Mach-tal, studerede derefter de forskellige blandingslag, hvor de to strømme mødes, " sagde Kim. "Afhængig af de forskellige hastigheder af de to strømme, der kommer ind, du begynder at se forskellige karakteristika ved blandingen."

Den primære gratis stream-hastighed startede ved subsonisk Mach 0,5, og øget til 2,5 i trin på 0,5. Den sekundære gratis stream var helt subsonisk, under 1 Mach.

Kim sagde, at i de fleste tidligere eksperimenter med dette strømningsfelt, hastighed er generelt kun blevet målt i to retninger:i retning af fristrømmen og vinkelret på den. Det, der gjorde dette eksperiment unikt, er, at hastighedsmålinger også blev taget i den spændvidde retning for alle de forskellige Mach-tal.

"Lav hastighed, ukomprimerbare sager, er i høj grad karakteriseret ved todimensionel blanding, så du kan få en masse vigtig information ved blot at se på X- og Y-komponenterne, " sagde Kim. "Fordi vi øgede Mach-tallet, kompressibiliteten går op i forskydningslaget. Følgelig, vi ser bredere blanding i den spændvidde retning, som vi ikke så, da den var inkompressibel. Et nøglemål for arbejdet var at sikre, at vi fik den tredje komponent af hastighed for at forstå, hvordan den relaterer til den overordnede turbulens med skiftende kompressibilitet. Og også for at fange de indgående strømningsforhold, grænselagene."

Ifølge Kim, der er kun udført to andre blandelagseksperimenter, der opnåede alle tre komponenter af hastighed. "Vores resultater stemmer overens med deres, som validerer vores egne eksperimenter, men vi tog det videre ved at måle flowet for en lang række Mach-tal."

Han sagde, at en direkte anvendelse i den virkelige verden til dette arbejde er at forbedre scramjet-forbrænding, hvor supersonisk luft kommer ind gennem forbrændingskammeret og blandes med brændstof.

"Videnskabeligt Hovedapplikationen er det faktum, at vi har disse resultater for et meget fundamentalt flowfelt, som simulatorer nu kan bruge til at validere deres modeller. Ud over, alle vores data er tilgængelige for offentligheden gennem en University of Illinois Wiki-side, " sagde Kim. "Jeg håber, at mange mennesker bruger denne information i deres modellering, og at det i sidste ende kan hjælpe med at forbedre nøjagtigheden og fremme metoderne i højhastigheds-flowsimuleringer."

Studiet, "Tredimensionel eksperimentel undersøgelse af kompressibilitetseffekter på turbulente frie forskydningslag, " skrevet af Kevin U. Kim, Gregory S. Elliott, og J. Craig Dutton er udgivet i AIAA Journal .