Veel van de huidige wetenschappelijke processen worden gesimuleerd met behulp van computergestuurde wiskundige modellen. Maar voor een model om nauwkeurig te voorspellen hoe de luchtstroom zich bij hoge snelheden gedraagt, bijvoorbeeld, wetenschappers hebben aanvullende gegevens uit het echte leven nodig. Het verstrekken van validatiegegevens, met behulp van up-to-date methoden, was een belangrijke motiverende factor voor een recent experimenteel onderzoek uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

"We hebben een fysiek experiment gemaakt dat het stromingsveld kan meten dat anderen proberen te simuleren met computermodellen om turbulentie te voorspellen. Het valideert hun modellen en geeft ze aanvullende gegevens om hun resultaten mee te vergelijken, vooral qua snelheid, " zei Kevin Kim, een promovendus bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek.

Kim zei dat de windtunnel die werd gebouwd en het ontwerp van de experimenten gebaseerd waren op eenvoudige geometrie en fundamentele fysica waarmee ze twee luchtstromen konden manipuleren, één uit een luchttank en de andere uit omgevingslucht. Er is een fysieke barrière tussen de twee stromen voordat ze het testgedeelte van de windtunnel bereiken, waar ze beginnen te mengen. Er worden beelden gemaakt van zaaddeeltjes in de stroom.

"Er zijn twee sproeiers die na de luchttank komen. We hebben de geometrie van een van de sproeiers veranderd om het totale Mach-getal te veranderen, bestudeerde vervolgens de verschillende menglagen waar de twee stromen samenkomen, ' zei Kim. 'Afhankelijk van de verschillende snelheden van de twee stromen die binnenkomen, je begint verschillende kenmerken van het mengen te zien."

De primaire gratis streamsnelheid begon bij subsonische Mach 0,5, en verhoogd tot 2,5 in stappen van 0,5. De secundaire vrije stroom was allemaal subsonisch, onder Mach 1.

Kim zei dat in de meeste eerdere experimenten van dit stromingsveld, snelheid is over het algemeen slechts in twee richtingen gemeten:in de richting van de vrije stroom en loodrecht daarop. Wat dit experiment uniek maakte, is dat voor alle verschillende Mach-getallen ook snelheidsmetingen werden gedaan in de richting van de spanwijdte.

"Lage snelheid, onsamendrukbare gevallen, worden grotendeels gekenmerkt door tweedimensionale menging, dus je kunt veel belangrijke informatie krijgen door alleen maar naar de X- en Y-componenten te kijken, ' zei Kim. 'Omdat we het Mach-getal hebben verhoogd, de samendrukbaarheid gaat omhoog in de afschuiflaag. Bijgevolg, we zien vermenging op grotere schaal in de richting van de spanwijdte die we niet zagen toen het onsamendrukbaar was. Een belangrijk doel van het werk was ervoor te zorgen dat we die derde component van snelheid kregen om te begrijpen hoe het zich verhoudt tot de algehele turbulentie met veranderende samendrukbaarheid. En ook om de inkomende stroomomstandigheden vast te leggen, de grenslagen."

Volgens Kim, er zijn slechts twee andere experimenten met menglagen uitgevoerd die alle drie de snelheidscomponenten hebben verkregen. "Onze resultaten komen overeen met die van hen, die onze eigen experimenten valideert, maar we gingen verder door de stroom te meten voor een breed scala aan Mach-getallen."

Hij zei dat een directe real-world toepassing voor dit werk is voor het verbeteren van scramjet-verbranding, waarin supersonische lucht door de verbrander naar binnen komt en zich vermengt met brandstof.

"wetenschappelijk, de belangrijkste toepassing is het feit dat we deze resultaten hebben voor een zeer fundamenteel stromingsveld dat simulatoren nu kunnen gebruiken om hun modellen te valideren. In aanvulling, al onze gegevens zijn beschikbaar voor het publiek via een Wiki-pagina van de Universiteit van Illinois, " zei Kim. "Ik hoop dat veel mensen deze informatie gebruiken in hun modellering en dat het uiteindelijk kan helpen de nauwkeurigheid te verbeteren en de methoden in high-speed stroomsimulaties vooruit te helpen."

De studie, "Driedimensionale experimentele studie van samendrukbaarheidseffecten op turbulente vrije schuiflagen, " geschreven door Kevin U. Kim, Gregory S. Elliott, en J. Craig Dutton is gepubliceerd in de AIAA Journaal .