De turbulentie die optreedt in het lagedrukgebied achter een raket die met supersonische snelheden reist, is complex en wordt niet goed begrepen. In de eerste experimentele studie in zijn soort, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hielpen de kenniskloof voor deze stromen te dichten door het bestaan ​​van haarspeldwervels in een supersonische gescheiden stroom te bewijzen.

"Er is een instabiliteit in de stroom ver stroomopwaarts, de Kelvin-Helmholtz-instabiliteit genoemd, waar twee vloeistofgebieden elkaar passeren, waarbij de een sneller beweegt dan de ander, en de vloeistof wordt onstabiel en struikelt. Wanneer het reist, het begint snel te roteren en de vortex kan veranderen in een andere vorm als het convecteert, " zei Branden Kirchner, doctoraat student bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. "De vortex begint langwerpig langs een ongeveer rechte lijn. Dan, naarmate het verder stroomafwaarts beweegt, het evolueert en verandert in deze coherente haarspeldvorm. In het verleden zijn er computersimulaties van dit type stroming geweest, voorspellen dat deze structuren bestaan. Maar zonder experimentele metingen ervan, je kunt niet echt bevestigen dat ze er zijn. Deze studie heeft stevig aangetoond dat haarspeldwervels niet alleen vaak voorkomen in deze stroom, maar ze dragen ook aanzienlijk bij aan de turbulente energie en veel van de belangrijke kenmerken die die lage druk creëren, regio met hoge weerstand."

De vortexstructuren verschijnen bij ongeveer Mach 2,5 tijdens het kruissegment van een raket wanneer de raketten niet branden.

Kirchner zei dat er eigenlijk twee soorten haarspeldvormige structuren zijn:rechtopstaand en omgekeerd. De eerste is sinds de jaren 50 bestudeerd in turbulente grenslagen, maar heeft veel minder aandacht gekregen in free shear flows.

"In de stroom die we bestudeerden, de grenslaag verdwijnt wanneer de stroom scheidt - dus er is alleen deze schuifvloeistof die door de vrije ruimte beweegt, " zei hij. "Een van de speciale gevolgen van het niet hebben van die muurgrens wanneer deze structuren zich vormen, is dat deze haarspeldstructuren nu ondersteboven kunnen worden gevormd. Eén type haarspeld vormt zich wanneer die initiële structuur in één richting verandert, en de andere wanneer het in de tegenovergestelde richting verandert. Ze zijn geometrisch hetzelfde type structuur, maar omdat ze omgekeerd op elkaar gericht zijn, wat ze met de stroom doen is ook achterlijk."

Welk effect hebben haarspeldwervels op de stroming? Kirchner zei dat ze nog veel te leren hebben.

"We weten dat ze een van de zo niet de meest energetische kenmerken van de turbulentie in deze stroom. We geloven dat ze een significant effect hebben op wat het lagedrukgebied achter de cilinder daadwerkelijk creëert."

Kirchner zei dat turbulentie vaak wordt gezien als een willekeurige verdeling van vortexstructuren met willekeurige 3D-vormen. Hij gelooft dat er een duidelijke reeks fysieke mechanismen is die ze aandrijven.

"We vinden orde in de chaos. We hebben niet alleen georganiseerde geordende turbulentie gevonden, maar dat deze georganiseerde turbulentie ook de grootste bijdrage levert aan de turbulente energie in de stroming. Deze kennis is erg handig voor computationalisten die deze stroom proberen te voorspellen. Indien, in hun simulaties, ze kunnen deze zelfde soort structuur demonstreren, dezelfde soort gebeurtenissen teweegbrengen, en domineert de energie, dan weten ze dat ze op de goede weg zijn met veel belangrijke stroomfuncties in hun simulaties. Het biedt ook een mogelijke manier om een ​​methode van stroomregeling te implementeren om, bijvoorbeeld, verhoog de druk achter de cilinder en verminder de weerstand. Je zou het mechanisme kunnen verstoren dat deze structuren genereert en voorkomen dat deze structuren zich vormen. Of, als de structuren gunstig blijken, je kunt er meer maken, en pas vervolgens de drukbelasting op de cilinder aan voor de kenmerken die u wilt hebben, " hij zei.

Voor het experiment, Kirchner gebruikte een meettechniek die optische tomografie gebruikt, genaamd tomografische deeltjesbeeldsnelheidsmeting, wat vergelijkbaar is met hoe een MRI- of CT-scan werkt. Er worden beelden gemaakt van een regio vanuit meerdere perspectieven tegelijk, en van daaruit je kunt een driedimensionaal beeld reconstrueren. Vervolgens, metingen kunnen de volledige driedimensionale geometrie van deze complexe turbulente gebeurtenissen opleveren.

Kirchner zei dat de techniek niet iets is dat hij heeft ontwikkeld, maar Illinois heeft een van de weinige laboratoria ter wereld die deze meettechniek ooit met succes heeft gebruikt in een supersonische stroom.