Undersøgelse bekræfter hårnålehvirvler i supersonisk turbulens

Turbulensen, der opstår i lavtryksregionen bag en raket, der kører med supersoniske hastigheder, er kompleks og ikke godt forstået. I den første eksperimentelle undersøgelse af sin art, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign hjalp med at lukke vidensgabet for disse strømme ved at bevise eksistensen af ​​hårnålehvirvler i et supersonisk adskilt flow.

"Der er en ustabilitet i strømmen langt opstrøms, kaldte Kelvin-Helmholtz ustabilitet, hvor to områder af væske passerer hinanden, hvor den ene bevæger sig hurtigere end den anden, og væsken bliver ustabil og tripper. Når den snubler, det begynder at rotere hurtigt, og hvirvelen kan forvandle sig til en anden form, når den overbeviser, sagde Branden Kirchner, Ph.d. studerende på Institut for Aerospace Engineering. "Hvirvelen starter langstrakt langs en omtrent lige linje. Derefter, når den bevæger sig længere nedstrøms, det udvikler sig og forvandler sig til denne sammenhængende hårnåleform. Tidligere har der været computersimuleringer af denne type flow, forudsige disse strukturer eksisterer. Men uden eksperimentelle målinger af dem, du kan faktisk ikke bekræfte, at de er der. Denne undersøgelse fastslog fast, at hårnålehvirvler ikke kun er almindeligt til stede i dette flow, men de bidrager også betydeligt til den turbulente energi og mange af de vigtige funktioner, der skaber det lavtryk, højtrækningsregion. "

Hvirvelkonstruktionerne vises på cirka Mach 2,5 under cruisesegmentet af et missil, når raketterne ikke brænder.

Kirchner sagde, at der faktisk er to typer hårnåleformede strukturer, der forekommer-oprejst og omvendt. Førstnævnte er blevet undersøgt siden 50'erne i turbulente grænselag, men har fået meget mindre opmærksomhed i frie forskydningsstrømme.

"I den strøm, vi studerede, grænselaget forsvinder, når strømmen adskiller sig - så der er netop dette skærevæske, der bevæger sig gennem det frie rum, "sagde han." En af de særlige konsekvenser af ikke at have den væggrænse, når disse strukturer dannes, er, at disse hårnålestrukturer nu kan dannes på hovedet. En form for hårnål dannes, når den indledende struktur ændrer sig i en retning, og den anden, når den morfer i den modsatte retning. De er geometrisk den samme type struktur, men fordi de er omvendt orienteret mod hinanden, hvad de gør ved strømmen er også bagud. "

Hvilken effekt har hårnålehvirvler på strømmen? Kirchner sagde, at de stadig har meget at lære.

"Vi ved, at de er en af, hvis ikke de mest energiske træk ved turbulensen i denne strøm. Vi mener, at de har en betydelig effekt på, hvad der rent faktisk skaber lavtryksregionen bag cylinderen. "

Kirchner sagde, at turbulens normalt ses som en tilfældig fordeling af hvirvelstrukturer med vilkårlige 3D-former. Han mener, at der er et klart sæt af fysiske mekanismer, der driver dem.

"Vi finder orden i kaoset. Vi har fundet ikke bare organiseret ordnet turbulens, men at denne organiserede turbulens også er den største bidragyder til den turbulente energi i strømmen. Denne viden er meget nyttig for computere, der forsøger at forudsige dette flow. Hvis, i deres simuleringer, de kan demonstrere den samme slags struktur, fremkalder den samme type begivenheder, og dominerer energien, så ved de, at de er på rette vej med en masse vigtige flow -funktioner i deres simuleringer. Det giver også en potentiel mulighed for at implementere en metode til flowkontrol til, for eksempel, øge trykket bag cylinderen og reducere træk. Du kan forstyrre mekanismen, der genererer disse strukturer og forhindre, at disse strukturer dannes. Eller, hvis strukturerne viser sig gavnlige, du kan oprette flere af dem, og derefter ændre trykbelastningen på cylinderen for de egenskaber, du vil have, " han sagde.

Til forsøget, Kirchner brugte en måleteknik, der anvender optisk tomografi, kaldet tomografisk partikelbilledhastighed hvilket ligner hvordan en MR- eller CT -scanning fungerer. Der tages billeder af en region fra flere perspektiver samtidigt, og fra det, du kan rekonstruere et tredimensionelt billede. Derefter, målinger kan give den fulde tredimensionelle geometri af disse komplekse turbulente hændelser.

Kirchner sagde, at teknikken ikke er noget, han udviklede, men Illinois har et af de eneste laboratorier i verden, der nogensinde har brugt denne måleteknik med succes i et supersonisk flow.