Om uit de lagere baan van de aarde te breken, hypersonische voertuigen moeten snelheden bereiken groter dan Mach 5. Bij deze hypersonische snelheden, de luchtdeeltjes en gassen die rond het voertuig stromen en een wisselwerking hebben met de oppervlakken, genereren warmte en creëren schokgolven die het evenwicht van de stroming verstoren. Nieuw onderzoek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign creëerde een model om stromingsovergangen te simuleren en beter te begrijpen.

"Bij hypersonische snelheden, de stroom beweegt met hoge Mach-getallen, maar er zijn ook vleugels of kleppen op het voertuig. Op elk van die kruispunten u kunt een zeer sterke recirculatie hebben, wat leidt tot onvastheid. Het is moeilijk te voorspellen hoe erg de onvastheid kan worden voordat de stroom niet langer soepel is, en wordt turbulent, " zei Deborah Levin, professor aan de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van het College of Engineering aan de U of I.

Zij en haar promovendus Ozgur Tumuklu, samen met professor Vassilis Theofilis van de Universiteit van Liverpool, uitgevoerd onderzoek dat een revolutionair begrip op het gebied van hypersonische stroming brengt.

Levin zei dat ze flow op een heel fundamenteel niveau bestudeert om de flow te begrijpen. de krachten die de stroom kan creëren, en de tijdsduur dat de stroom stabiel blijft in termen van microseconden tot milliseconden - sneller dan een oogwenk.

"Van de zeer fundamentele aspecten van de stroom, als de snelheid zo hoog is, de gassen rond de oppervlakken worden erg heet, Levin legde uit. "De wrijvingswarmte begint chemische reacties te veroorzaken. Het gas blijft niet langer 79 procent stikstof en 21 procent zuurstof zoals we in onze atmosfeer hebben.

"Als al deze effecten optreden, ze worden niet-evenwichtseffecten genoemd. Het is een fenomeen dat optreedt als de lucht dunner wordt naarmate je sneller beweegt, "Zei Levin. "Het koppelen van dat alles - het niet-evenwicht en de stabiliteit - dat is wat echt nieuw is aan dit onderzoek en nog niet eerder is gedaan. Het resultaat van dit onderzoek is een model en de mogelijkheid om deze techniek nu in de toekomst te gebruiken om vormen te ontwerpen en chemische reacties te induceren die al dan niet stabiliteit zullen induceren of uitdoven."

Levin zei dat een deel van het oorspronkelijke werk op dit gebied begon met experimenten aan de U of I met professor Joanna Austin, alvorens te vertrekken naar een functie bij California Technical. Een belangrijk onderdeel van haar werk in Illinois was het ontwerpen van een nieuwe faciliteit die enkele kenmerken van stroming kon meten.

"Ze heeft een hypervelocity-expansiebuis - een klasse van meettechnieken die kan worden gebruikt om een ​​stroming te induceren over een dubbelwigmodel ter grootte van mijn hand, ' zei Levin. 'Dr. Austin creëert een hypersonische stroom over het hele model. Het gebruikte een enorme hoeveelheid energie om te bereiken, maar het kan worden gebruikt voor gevallen met een lage dichtheid (dunnere lucht). Maar de dubbele wig kan een moeilijke vorm zijn om te begrijpen wat er aan de hand is. We hebben talloze simulaties uitgevoerd, maar konden de stroom niet krijgen om een ​​stabiel of stabiel resultaat te bereiken."

Levin zei dat de samenwerking met Theofilis het werk vooruit hielp, vooral met betrekking tot een nieuwe benadering en richting de vorm van het model.

"Hij zei tegen me, 'Ik weet dat deze toestand [sic dubbele wig] moeilijk te begrijpen is vanuit het oogpunt van stabiliteit, maar als u begint met het afdrukken van uw stroomberekeningen, de temperatuur hier, hier, en hier, je zult zien dat de temperatuur nooit zal stabiliseren. Je zult wervelingen en draaikolken zien die komen en gaan.' Als een deskundige je dat vertelt, je let op, ' zei Levin.

Een ding dat ze deden voordat ze de dubbele wig verlieten, was "kunstmatig de omstandigheden in de hypervelocity-expansiebuis met een factor van ongeveer een achtste verminderen, "Zei Levin. "We zagen nog steeds veel van de functies, zoals de schokken, en recirculatie, maar de stroom kalmeerde en we konden een stabiele toestand simuleren."

De onderzoekers legden de dubbele wig even opzij en gingen als model over op een dubbel kegelontwerp. Levin zei, "Het heeft axiale symmetrie - zoals een top, het heeft symmetrie rond alle hoeken, waardoor het een stuk eenvoudiger te berekenen is."

Het onderzoek heeft nieuwe inzichten opgeleverd over de overgangspunten in stroming van soepel naar turbulent, die uiteindelijk kunnen bijdragen aan een veiliger voertuigontwerp.