Aux vitesses hypersoniques, les complexités se produisent lorsque les gaz interagissent avec la surface du véhicule, tels que les couches limites et les ondes de choc. Des chercheurs du Département de génie aérospatial du Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign, ont pu observer de nouvelles perturbations dans les simulations menées pour la première fois en 3D.
L'étude, «La perte de symétrie axiale dans les flux hypersoniques sur des formes coniques», est publiée dans Fluides d'examen physique.
Les simulations entièrement 3D nécessitent beaucoup de puissance de traitement, ce qui rend le travail coûteux à calculer. Deux choses ont permis à Deborah Levin et à son doctorat. L'étudiant Irmak Taylan Karpuzcu pour mener la recherche: Temps sur Frontera, le système informatique de classe de leadership du Texas Advanced Computing Center et le logiciel développé au cours des années précédentes par plusieurs des anciens étudiants diplômés de Levin.
« Les débits de transition sont de nature 3D et instables, quelle que soit la géométrie de l'écoulement. Les expériences menées en 3D au début des années 2000 n'ont pas fourni suffisamment de données pour déterminer les effets 3D ou l'instabilité car il n'y avait pas assez de capteurs tout autour du modèle en forme de cône. Ce n'était pas mal.
« Nous avons ces données à comparer, mais avoir l'image complète maintenant en 3D, c'est différent. Normalement, vous vous attendez à ce que le flux autour du cône soit des rubans concentriques, mais nous avons remarqué des ruptures dans l'écoulement dans les couches de choc à la fois dans les formes à cône simple et double. »
Karpuzcu a déclaré qu'ils avaient observé les ruptures près de la pointe du cône, et avec une onde de choc près de l'endroit où les molécules d'air étaient plus proches les unes des autres, ce qui les rend plus visqueuses et à Mach 16.
« Au fur et à mesure que vous augmentez le nombre de Mach, le choc se rapproche de la surface et favorise ces instabilités. Il serait trop coûteux d'exécuter la simulation à chaque vitesse, mais nous l'avons exécuté à Mach 6 et nous n'avons pas vu la rupture du flux. »
Karpuzcu a déclaré que la géométrie du cône représente une version simplifiée de nombreux véhicules hypersoniques et de comprendre comment l'écoulement affecte les propriétés de surface peut aider à conduire à des considérations de conception.
« Le logiciel interne de notre groupe a rendu efficace la simulation dans des processeurs parallèles, donc c'est beaucoup plus rapide. Il y avait déjà des données d'expériences dans des conditions à grande vitesse, nous avons donc eu une certaine intuition sur l'apparence des simulations, mais en 3D, nous avons trouvé des ruptures que nous ne nous attendions pas à voir. »
Il a dit que la partie la plus difficile du travail pour lui était d'analyser pourquoi la rupture du flux se produisait.
« Le flux devrait aller dans toutes les directions, mais uniformément. Nous devions justifier ce que nous voyions. Notre revue de la littérature a indiqué qu'une analyse de stabilité linéaire basée sur la théorie à triple pont peut être appliquée à ce flux. Après avoir analysé les formulations complexes et les connecter à notre cas, nous avons développé un code pour simuler numériquement le problème.
« Exécuter la simulation de simulation directe 3D Monte Carlo est difficile, mais nous avons ensuite mis en place un deuxième programme informatique pour nous assurer que tout fonctionne et est dans les limites de nos conditions d'écoulement. Lorsque nous l'avons fait, nous avons vu la rupture en deux gros morceaux en périodicité à 180 degrés autour du cône. »
Karpuzcu a déclaré que la beauté de la simulation directe Monte Carlo est qu'elle suit chaque molécule d'air dans le flux et capture les chocs.
« Lorsque vous utilisez d'autres méthodes pour calculer la dynamique des fluides, tout est déterministe. Lorsque nous introduisons une particule dans le champ d'écoulement, il existe une probabilité que les particules entrent en collision avec d'autres particules ou toute surface solide calculée sur des formules basées sur la physique, mais la sortie est un rouleau des dés.
« La méthode Monte Carlo fait des tentatives aléatoires et répétitives. Elle est plus étendue que les méthodes classiques de dynamique des fluides et nous suivons des milliards de particules. Cela s'assure qu'il y a suffisamment de particules dans le champ d'écoulement et les collisions sont capturées correctement. »
