Met behulp van gegevens verzameld in een NASA Langley Mach 6 windtunnel, onderzoekers van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois repliceerden de hypersonische stroomomstandigheden van een compressiehellingstroom door middel van directe numerieke simulatie. De simulatie leverde een overvloed aan aanvullende gegevens op, die kunnen worden gebruikt om de verschijnselen die zich voordoen rondom voertuigen die met hypersonische snelheden rijden, beter te begrijpen.

"De gegevens van experimenten zijn enigszins beperkt, bijvoorbeeld afkomstig van druksondes op een paar locaties op een testobject. Als we een numerieke simulatie uitvoeren, we verwerven informatie, zoals druk, temperatuur, dichtheid, en vloeistofsnelheid - ongeveer het hele stroomveld inclusief de voertuigoppervlakken. Dit kan helpen bij het verklaren van enkele dingen die experimentatoren hebben gevonden, maar niet helemaal konden verklaren vanwege een gebrek aan gegevens, zei Fabian Dettenrieder, een doctoraalstudent aan de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek in Illinois.

De studie simuleerde een stuurvlak aan het einde van een vleugel die wordt gebruikt om een ​​vliegtuig te manoeuvreren. In dit geval, het simuleerde een vlakke plaat inclusief de voorrand, met een 35-graden compressiehellingconfiguratie die eerder experimenteel was getest in de Langley hypersonische windtunnel.

Dettenrieder legde uit dat hypersonische stromen complex zijn. De hoge energie van de stroming resulteert in aanzienlijke druk- en warmtebelastingen die - naast schokken - zowel experimenteel als numeriek uitdagende problemen veroorzaken. De stroomconfiguratie die in deze studie wordt beschouwd, omvat een superkritische hellingshoek die resulteert in een scheidingsbel die inherent onstabiel is. Het nauwkeurig vastleggen van dit fenomeen is complex omdat het zeer gevoelig is voor zijn omgeving, zoals akoestisch geluid en turbulentie. Verder, hoe dunner de panelen aan de buitenkant van een voertuig zijn - meestal gemotiveerd door gewichtsoptimalisaties - hoe groter de kans dat ze gaan afwijken van een perfect rigide gedrag, wat resulteert in een interactie met de stroming en extra complexiteit van het vloeistof-structurele systeem kan creëren.

En, naast de oorzaken van turbulentie in een natuurlijke omgeving, de windtunnel zelf veroorzaakt akoestische storingen die onstabiele vloeistofbewegingen kunnen veroorzaken die tot turbulentie leiden.

"We geloofden dat een discrepantie die werd gevonden tussen de experimentele gegevens en een eerdere 2D-simulatie te wijten was aan het ontbreken van de akoestische straling die door de wanden van de windtunnel werd gegenereerd. In deze 3D-simulatie, we repliceerden het windtunnelexperiment onder zowel stille als lawaaierige omstandigheden - lawaaierig door freestream-storingen aan de verre veldgrens van het computationele domein te introduceren.

"De impact van akoestische storing is al eerder onderzocht, maar niet in de context van deze hypersonische hellingsconfiguratie, " zei hij. "We waren in staat om akoestische freestream-storingen nauwkeurig voor te schrijven." Hij zei dat wat ze hebben waargenomen bijdraagt ​​aan het fundamentele begrip van de onstabiele stromingsverschijnselen die in de experimenten zijn waargenomen.

De simulatie werd uitgevoerd op Frontera, een door de National Science Foundation gefinancierd supercomputersysteem in het Texas Advanced Computing Center aan de Universiteit van Texas in Austin. Faculteitsadviseur van Dettenrieder is Blue Waters Professor Daniel Bodony, die een toewijzing van 5 miljoen node-uren op Frontera ontvingen om interacties tussen vloeistof en thermische structuur te bestuderen.

Dettenrieder zei dat de simulatie blijft draaien op Frontera en nog niet klaar is. "Het is erg arbeidsintensief en tijdrovend, " zei hij. "Ik controleer het een paar keer per dag om er zeker van te zijn dat het goed werkt. Het blijft meer gegevens verzamelen die meer informatie zullen bijdragen om ons te helpen de complexiteit van hypersonische stroming te begrijpen."