Forskning bidrager til forståelsen af ​​hypersonisk flow

Ved at bruge data indsamlet i en NASA Langley Mach 6 vindtunnel, forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign gentog de hypersoniske strømningsbetingelser for en kompressionsrampestrøm ved hjælp af direkte numerisk simulering. Simuleringen gav en overflod af yderligere data, som kan bruges til bedre at forstå de fænomener, der opstår omkring køretøjer, der kører med hypersoniske hastigheder.

"Data fra eksperimenter er noget begrænsede - for eksempel taget fra tryksonder nogle få steder på et testobjekt. Når vi kører en numerisk simulering, vi indhenter information – såsom pres, temperatur, massefylde, og væskehastighed - omkring hele strømningsfeltet inklusive køretøjets overflader. Dette kan hjælpe med at forklare nogle af de ting, som eksperimentalister har fundet, men som ikke helt kunne forklare på grund af mangel på data, sagde Fabian Dettenrieder, en ph.d.-studerende i Department of Aerospace Engineering i Illinois.

Undersøgelsen simulerede en kontrolflade for enden af ​​en vinge, der bruges til at manøvrere et fly. I dette tilfælde, det simulerede en flad plade inklusive forkanten, med en 35-graders kompressionsrampekonfiguration, der tidligere var blevet eksperimentelt testet i Langley hypersonisk vindtunnel.

Dettenrieder forklarede, at hypersoniske strømme er komplekse. Strømmens høje energi resulterer i betydelige tryk- og varmebelastninger, som – ud over stød – skaber udfordrende problemer både eksperimentelt og numerisk. Strømningskonfigurationen, der tages i betragtning i denne undersøgelse, involverer en superkritisk rampevinkel, hvilket resulterer i en separationsboble, der i sagens natur er ustabil. Nøjagtigt at fange dette fænomen er komplekst, da det er meget modtageligt for sit miljø, såsom akustisk støj og turbulens. Desuden, jo tyndere panelerne på ydersiden af ​​et køretøj er - typisk motiveret af vægtoptimeringer - jo mere sandsynligt er det, at de begynder at afvige fra en perfekt stiv adfærd, hvilket resulterer i en vekselvirkning med flowet og kan skabe yderligere kompleksitet af det fluid-strukturelle system.

Og, ud over bidragyderne til turbulens i et naturligt miljø, selve vindtunnelen forårsager akustiske forstyrrelser, som kan udløse ustabile væskebevægelser, der fører til turbulens.

"Vi troede, at en uoverensstemmelse, der blev fundet mellem de eksperimentelle data og en tidligere 2-D-simulering, skyldtes manglen på den akustiske stråling genereret af vindtunnelens vægge. I denne 3-D-simulering, vi replikerede vindtunneleksperimentet under både stille og støjende forhold - støjende ved at introducere fristrømsforstyrrelser ved fjernfeltsgrænsen af ​​beregningsdomænet.

"Konsekvensen af ​​akustisk forstyrrelse er blevet undersøgt før, men ikke i forbindelse med denne hypersoniske rampekonfiguration, " sagde han. "Vi var i stand til nøjagtigt at foreskrive akustiske fristrømsforstyrrelser." Han sagde, at det, de observerede, bidrager til den grundlæggende forståelse af de ustabile strømningsfænomener, der blev observeret i eksperimenterne.

Simuleringen blev kørt på Frontera, et National Science Foundation-finansieret supercomputersystem ved Texas Advanced Computing Center ved University of Texas i Austin. Dettenrieders fakultetsrådgiver er Blue Waters-professor Daniel Bodony, som modtog en tildeling på 5 millioner nodetimer på Frontera til at studere væske-termisk-struktur-interaktioner.

Dettenrieder sagde, at simuleringen fortsætter med at køre på Frontera og ikke er færdig endnu. "Det er meget arbejdskrævende og tidskrævende, " sagde han. "Jeg tjekker det et par gange om dagen for at sikre mig, at det kører ordentligt. Det fortsætter med at indsamle flere data, der vil bidrage med mere information for at hjælpe os med at forstå kompleksiteten af ​​hypersonisk flow."