Tijdens het bestuderen van de chemische reacties die plaatsvinden in de stroom van gassen rond een voertuig dat met hypersonische snelheden beweegt, onderzoekers van de Universiteit van Illinois gebruikten een minder-is-meer-methode om meer inzicht te krijgen in de rol van chemische reacties bij het wijzigen van onstabiele stromingen die optreden in de hypersonische stroming rond een dubbele wigvorm.

"We hebben de druk met een factor acht verlaagd, dat is iets wat experimentatoren niet konden doen, " zei Deborah Levin, onderzoeker bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "In een echte kamer, ze probeerden de druk te verminderen, maar konden het niet zo veel verminderen omdat de apparaten zijn ontworpen om binnen een bepaald gebied te werken. Ze konden het niet bedienen als de druk te laag was. Toen we de druk in de simulatie verminderden, we ontdekten dat de instabiliteiten in de stroom kalmeerden. We hadden nog steeds veel van het soort vorticale structuur - scheidingsbellen en wervelingen - ze waren er nog steeds. Maar de gegevens waren beter hanteerbaar, begrijpelijker in termen van hun tijdsvariatie."

Levin voerde samen met haar het onderzoek uit, dan, promovendus Ozgur Tumuklu, en Vassilis Theofilis van de Universiteit van Liverpool.

De Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-benadering, een high-fidelity fysieke benadering werd gebruikt om de hypersonische stroom te simuleren. Maar, zoals elke methode, het heeft voor- en nadelen. Een nadeel is dat het de stroom creëert door grote hoeveelheden botsingsgegevens te verzamelen, het produceren van riemen en riemen van deeltjesgegevens, en daarmee statistische ruis.

De onderzoekers voerden de DSMC-resultaten in een venster correct orthogonaal decompositieprogramma, een voorbeeld van wat bekend staat als een model met gereduceerde orde om de analyses van het tijdgedrag van de DSMC-resultaten veel haalbaarder te maken.

"Het is een heel slimme methode die beter handelbaar is en de rekeninspanning kan verminderen, "Zei Levin. "Voordat we deze techniek hadden, we zouden driedimensionale gegevens van druk selecteren, dichtheid, en temperatuur, die gedurende de hele stroom over de uitwendige vorm van het voertuig variëren. We zaten op verschillende locaties in de stroom en verzamelden gegevens bij elke stap. Het wordt uiteindelijk een schattenjacht - kijk hier, kijk je daar, waar je ook denkt, er is een gevoelig deel van de stroom waar je wat veranderingen kunt zien.

"Het belangrijkste verschil bij het gebruik van WPOD is dat het al die ruimtelijke gegevens organiseert, die verandert als functie van de tijd, en het geeft je een idee van wat het denkt dat de vervalmodi zijn, ' zei Levin.

Naast de toepassing van deze nieuwe methode om gegevens te interpreteren, het team van onderzoekers heeft nieuwe kennis opgedaan over de chemische reacties die plaatsvinden in hypersonische stroming. De studie keek naar drie soorten gassamenstellingen:moleculaire stikstof, niet-reagerende lucht bestaande uit moleculaire stikstof en zuurstof, en het reageren van lucht met zuurstofdissociatie en de stikstofoxide-uitwisselingsreacties.

"We leerden over vibratietemperaturen, "Zei Levin. "Deze zijn meestal erg moeilijk te berekenen. We leerden over het kunnen voorspellen van chemische soorten, zoals stikstofmonoxide - een verbinding in de gasfase, die slechts in zeer kleine hoeveelheden aanwezig zijn. Het wordt geproduceerd in hypersonische stromen in één op de duizend deeltjes. Het is geen hoofdbestanddeel, zoals 79 procent stikstof, maar het is erg belangrijk en we wilden het kunnen voorspellen. Met behulp van deze techniek, we waren in staat om het zo veel gemakkelijker te doen. Daardoor konden we begrijpen wat het effect was van de chemie op de stroom die het stikstofmonoxide produceerde, en hoe dat de verschillende stabiliteitsmodi beïnvloedde."

Tumuklu heeft korte video's gemaakt door alle gegevens in frames op te slaan, vervolgens versnellen om te laten zien hoe de stroom in de loop van de tijd evolueert. Hoewel moeilijk te zien met een ongetraind oog, Levin zei dat de video het verschil laat zien in de manier waarop de schokken op elkaar inwerken voor de stikstofbehuizing die geen chemische reacties heeft en de reagerende behuizing van 79 procent stikstof en 21 procent zuurstof. dat is de samenstelling van lucht in de atmosfeer van de aarde.

"Er is ook een functie die het 'drievoudige punt' wordt genoemd, weergegeven door een rode stip op de video. Als je heel goed kijkt, bij de twee video's, het tripelpunt op de stikstofkast beweegt nooit; het blijft op één locatie terwijl alles eromheen beweegt.

Maar in het geval van de reagerende lucht, het tripelpunt beweegt. Het oscilleert heen en weer terwijl al het andere er nog steeds omheen beweegt, " Zei Levin. "Dit vertelde ons wat de effectieve chemische reacties waren. Ze dumpen extra warmte of energie in de stroom, die de instabiliteit verandert, het onvaste gedrag.

Levin zei dat vliegtuigontwerpers te veel ontwerpen om te compenseren voor het niet kennen van de exacte behoeften, bijvoorbeeld, de minimale dikte die nodig is voor een hitteschild.

"Uiteindelijk, door dit fundamentele onderzoek, we zullen wat antwoorden krijgen, enkele vuistregels voor mensen, die zich op het ontwerpniveau bevinden, "zei ze. "Ze hoeven geen petascale-berekeningen uit te voeren, maar ze zullen weten dat als ze bepaalde vormen hebben op bepaalde posities ten opzichte van de aanvalshoek, ze moeten zich zorgen maken over instabiliteiten bij het ontwerpen van ruimtevaartuigen voor veilige terugkeer in de atmosfeer van de aarde of andere atmosferen. Ze kunnen een flap verwijderen of een flap verplaatsen voor een bedieningsoppervlak om instabiliteiten te minimaliseren of te voorkomen."

De studie, "Modale analyse met de juiste orthogonale ontleding van hypersonische gescheiden stromen over een dubbele wig, " werd uitgevoerd door Deborah Levin en Ozgur Tumuklu van de Universiteit van Illinois, en Vassilis Theofilis van de Universiteit van Liverpool. Het verschijnt in het journaal, Fysieke beoordeling Vloeistoffen .