Als je ooit naar een vliegshow bent geweest, of woonde in de buurt van een luchtmachtbasis, je bent bekend met sonische knallen.

Deze oorverdovende geluiden worden veroorzaakt door vliegtuigen die de geluidssnelheid overschrijden, ongeveer 767 mph (1234 km / h). Ze leggen uit, gedeeltelijk, waarom passagiersvliegtuigen met langzamere en minder auditief offensieve snelheden door de lucht varen.

Lucht- en ruimtevaartingenieur James Chen van de universiteit van Buffalo werkt aan het oplossen van problemen die samenhangen met het overschrijden van de geluidsbarrière.

"Stel je voor dat je in een uur van New York City naar Los Angeles vliegt. Stel je ongelooflijk snelle onbemande luchtvaartuigen voor die meer bijgewerkte en genuanceerde informatie over de atmosfeer van de aarde geven, die ons zou kunnen helpen dodelijke stormen beter te voorspellen, " zegt Chen, doctoraat, universitair docent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de UB's School of Engineering and Applied Sciences.

Chen is de corresponderende auteur van een studie die op 3 januari in de Tijdschrift voor technische wiskunde . De studie heeft betrekking op de klassieke kinetische theorie van de Oostenrijkse natuurkundige Ludwig Boltzmann, die de beweging van gasmoleculen gebruikt om alledaagse verschijnselen te verklaren, zoals temperatuur en druk.

Chen's werk breidt de klassieke kinetische theorie uit naar aerodynamica bij hoge snelheden, inclusief hypersonische snelheid, die om 3 uur begint, 836 mph (6173 km/h) of ongeveer vijf keer de snelheid van het geluid. De nieuwe studie en andere door Chen in invloedrijke academische tijdschriften proberen al lang bestaande problemen op te lossen die verband houden met aerodynamica bij hoge snelheden.

Supersonische passagiersvliegtuigen

Het idee van supersonische passagiersvliegtuigen is niet nieuw. Misschien wel de meest bekende is de Concorde, die vloog van 1976-2003. Hoewel succesvol, het werd achtervolgd door geluidsklachten en dure bedrijfskosten.

Recenter, Boeing heeft plannen aangekondigd voor een hypersonisch vliegtuig en NASA werkt aan een supersonisch project genaamd QueSST, afkorting voor Quiet Supersonic Technology.

"Het verminderen van de beruchte sonische knal is nog maar een begin. In supersonische vlucht, we moeten nu het laatste onopgeloste probleem in de klassieke natuurkunde beantwoorden:turbulentie, " zegt Chen, wiens werk wordt gefinancierd door het Young Investigator Program van de Amerikaanse luchtmacht, die ingenieurs en wetenschappers ondersteunt die uitzonderlijke bekwaamheid en belofte tonen voor het uitvoeren van fundamenteel onderzoek.

Om efficiënter te creëren, goedkopere en stillere vliegtuigen die de geluidsbarrière overschrijden, de onderzoeksgemeenschap moet beter begrijpen wat er gebeurt met de lucht rond deze voertuigen.

"Er is zoveel dat we niet weten over de luchtstroom wanneer je hypersonische snelheden bereikt. Bijvoorbeeld, wervelingen vormen zich rond het vliegtuig en creëren turbulentie die van invloed is op hoe vliegtuigen door de atmosfeer manoeuvreren, " hij zegt.

Morphing continuüm theorie

Om deze complexe problemen op te lossen, onderzoekers hebben in het verleden windtunnels gebruikt, dit zijn onderzoekslaboratoria die de omstandigheden nabootsen die voertuigen tegenkomen terwijl ze in de lucht of in de ruimte zijn. Hoewel effectief, deze laboratoria kunnen duur zijn om te bedienen en te onderhouden.

Als resultaat, veel onderzoekers, inclusief Chen, zijn gedraaid in de richting van directe numerieke simulaties (DNS).

"DNS met high-performance computing kan turbulentieproblemen helpen oplossen. Maar de vergelijkingen die we hebben gebruikt, gebaseerd op het werk van Navier en Stokes, zijn in wezen ongeldig bij supersonische en hypersonische snelheden, " zegt Chen.

Zijn werk in de Tijdschrift voor technische wiskunde centra op morphing continuümtheorie (MCT), die is gebaseerd op het gebied van mechanica en kinetische theorie. MCT heeft als doel onderzoekers te voorzien van rekenvriendelijke vergelijkingen en een theorie om problemen met hypersonische turbulentie aan te pakken.

"Het Center for Computational Research aan de UB biedt een perfect platform voor mijn team en mij in het Multiscale Computational Physics Lab om deze moeilijke aerodynamische problemen met hoge snelheid aan te pakken met high-performance computing, " zegt Chen.

uiteindelijk, het werk zou kunnen leiden tot verbeteringen in de manier waarop supersonische en hypersonische vliegtuigen worden ontworpen, alles, van de vorm van het voertuig tot de materialen waarvan het is gemaakt. Het doel, hij zegt, is een nieuwe klasse vliegtuigen die sneller zijn, stiller, goedkoper in gebruik en veiliger.