Forskere måler kølvandet på supersoniske projektiler

Billedteknologi er forbedret markant i løbet af de sidste 30 år. Det er ved at være så længe siden, at strømmen kom fra bunden af ​​projektiler, såsom ballistiske missiler, er blevet målt. Forskere ved Institut for Aerospace Engineering ved University of Illinois i Urbana-Champaign brugte en moderne måleteknik kaldet stereoskopisk partikelbilledhastighed til at tage højopløselige målinger af det komplicerede flowfelt nedstrøms for en stumpbaseret cylinder, der bevæger sig med supersoniske hastigheder, som er repræsentativ for et projektil eller en udreven raket.

Eksperimentet blev udført i en Mach 2.5 vindtunnel i Gas Dynamics Laboratory i Grainger College of Engineering i Illinois. Forskere monterede en stor cylindermodel og tvang en højtryksluftforsyning blandet med en stor mængde røgpartikler hen over den.

"Vi lyser med en laser mod røgpartiklerne for at belyse et ønsket område, og så kan vi tage et billede af disse partikler fra flere vinkler. Billeddannelse af den samme region fra forskellige perspektiver giver os samtidig mulighed for at måle alle tre komponenter af hastighed" sagde doktorstuderende Branden Kirchner. "Billederne tages 600 nanosekunder fra hinanden ved høj opløsning.

"Denne teknik giver os mulighed for samtidig at måle hastighed på mange punkter meget tæt på hinanden, i stedet for at måle et punkt og derefter gå videre til det næste. Vi har nu et kort over hastighed i hele strømningsfeltet som et øjebliksbillede i tide. "

Kirchner sagde den 3, 000 snapshots afbildet med fire kameraer rettet mod strømmen giver meget højere rumlige opløsningsmålinger end nogen tidligere undersøgelser. Han sagde, at computere, der studerer dette flow, vil have fordel af at have disse nye data til at sammenligne med deres simuleringer.

Illinois rumfartsingeniør professor J. Craig Dutton, medforfatter på undersøgelsen, har arbejdet på dette komplicerede flow i årtier, bruge den samme vindtunnel, mens han arbejdede på sin ph.d. Kirchner sagde, "Jeg husker første gang, vi tog data ved hjælp af denne teknik, Jeg viste professor Dutton, og han sagde 'på 90 sekunder tog du flere data, end vi plejede at tage på seks måneder'."

Når strømmen adskiller sig fra cylinderen, det skaber en vågne, ligesom hvad spor fra en båd eller et fly. Det er her de vigtige flow -funktioner begynder, nedstrøms for cylinderen, som repræsenterer kroppen af ​​en raket eller et projektil.

"Der er et tyndt lag lige efter adskillelsen, kaldet forskydningslag, hvor friktionen mellem langsomt og hurtigt bevægende luft er virkelig dominerende, "sagde han." Dette forskydningslag udtrækker væskepartikler fra området umiddelbart bag cylinderbasen, i en proces kaldet entrainment. Denne proces forårsager virkelig lave tryk på bunden af ​​cylinderen, og det er noget, vi i øjeblikket ikke forstår godt.

Kirchner sagde, at det eksempel, han kan lide at bruge til at forklare fysikken i, hvad der sker i strømmen, er den udformningsteknik, nogle mennesker bruger til at få bedre gasmilometer på en motorvej. De kører deres bil i en vis afstand bag en semitruck for at få bedre brændstoføkonomi.

"Trykket bag semi-lastbilen er virkelig lavt, så hvis du kan få forenden af ​​din bil i lavtrykszonen og bagenden i en højtrykszone, du får faktisk skubbet ud af det, men det aerodynamiske træk på semitrucken er meget højt på grund af denne lavtrykszone, "Sagde Kirchner.

At have en bedre forståelse af, hvordan strømmen faktisk skaber denne lavtryksregion, kunne give andre forskere den viden, de har brug for, for at komme med en måde at ændre trykket på.

"Vi ændrer ikke noget langs cylinderlegemet eller cylinderens forside i denne undersøgelse, "sagde han." Men hvis vi ved, hvilke mekanismer der kan forårsage en ændring i trykfordelingen på basen og udvikle en metode til at hæve dette tryk, vi kan reducere trækket eller have bedre køretøjets retningskontrol. "

Studiet, Tre-komponent turbulensmålinger og analyse af en supersonisk, Axisymmetrisk bundstrøm, "blev skrevet af Branden M. Kirchner, James V. Favale, Gregory S. Elliott, og J. Craig Dutton. Det er offentliggjort i AIAA Journal .