Studiando le reazioni chimiche che avvengono nel flusso di gas intorno a un veicolo che si muove a velocità ipersoniche, i ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno utilizzato un metodo meno è più per ottenere una maggiore comprensione del ruolo delle reazioni chimiche nella modifica dei flussi instabili che si verificano nel flusso ipersonico attorno a una forma a doppio cuneo.

"Abbiamo ridotto la pressione di un fattore otto, che è qualcosa che gli sperimentali non potrebbero fare, " disse Deborah Levin, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. "In una vera camera, hanno cercato di ridurre la pressione ma non sono riusciti a ridurla così tanto perché gli apparecchi sono progettati per funzionare all'interno di una certa regione. Non potevano azionarlo se la pressione era troppo bassa. Quando abbiamo ridotto la pressione nella simulazione, abbiamo scoperto che le instabilità nel flusso si sono calmate. Avevamo ancora un sacco di quel tipo di struttura vorticosa - bolle di separazione e vortici - erano ancora lì. Ma i dati erano più trattabili, più comprensibile in termini di variazione temporale."

Levin ha condotto la ricerca insieme a lei, poi, dottorando Ozgur Tumuklu, e Vassilis Theofilis dell'Università di Liverpool.

L'approccio Direct Simulation Monte Carlo (DSMC), un approccio fisico ad alta fedeltà è stato utilizzato per simulare il flusso ipersonico. Ma, come ogni metodo, ha pro e contro. Un contro è che crea il flusso raccogliendo grandi quantità di dati di collisione, produrre risme e risme di dati particellari, e con esso, rumore statistico.

I ricercatori hanno inserito i risultati del DSMC in un programma di decomposizione ortogonale adeguato alla finestra, un esempio di quello che è noto come modello di ordine ridotto per rendere molto più fattibili le analisi del comportamento temporale del DSMC.

"È un metodo molto intelligente che è più trattabile e può ridurre lo sforzo computazionale, " Disse Levin. "Prima che avessimo questa tecnica, selezioneremmo dati tridimensionali di pressione, densità, e temperatura, che variano lungo tutto il flusso sulla forma esterna del veicolo. Ci sedevamo in punti diversi del flusso e raccoglievamo dati ad ogni passaggio. Si finisce per essere una caccia al tesoro:guarda qui, tu guardi lì, ovunque pensi che ci sia una parte sensibile del flusso in cui potresti vedere alcuni cambiamenti.

"La differenza principale nell'utilizzo di WPOD è che organizza tutti quei dati spaziali, che cambia in funzione del tempo, e ti dà un'idea di cosa pensa siano le modalità di decadimento, " ha detto Levi.

Oltre all'applicazione di questo nuovo metodo per interpretare i dati, il team di ricercatori ha acquisito nuove conoscenze sulle reazioni chimiche che avvengono nel flusso ipersonico. Lo studio ha esaminato tre tipi di composizioni di gas:azoto molecolare, aria non reattiva costituita da azoto molecolare e ossigeno, e la reazione dell'aria con la dissociazione dell'ossigeno e le reazioni di scambio dell'ossido nitrico.

"Abbiamo imparato a conoscere le temperature vibrazionali, "Levin ha detto. "Questi sono di solito molto difficili da calcolare. Abbiamo imparato a prevedere le specie chimiche, come l'ossido nitrico, un composto in fase gassosa, che sono presenti solo in piccolissime quantità. Viene prodotto in flussi ipersonici in una su mille particelle. Non è un componente importante, come il 79% di azoto, ma è molto importante e volevamo essere in grado di prevederlo. Utilizzando questa tecnica, siamo stati in grado di farlo molto più facilmente. Per questo motivo siamo stati in grado di capire quale fosse l'effetto della chimica nel flusso che ha prodotto l'ossido nitrico, e come ciò ha influito sulle diverse modalità di stabilità."

Tumuklu ha creato brevi video salvando tutti i dati in frame, quindi accelerandolo per mostrare come il flusso si evolve nel tempo. Sebbene sia difficile da vedere con un occhio inesperto, Levin ha detto che il video mostra la differenza nel modo in cui gli shock interagiscono per la custodia dell'azoto che non ha reazioni chimiche e la camera d'aria che reagisce con il 79 percento di azoto e il 21 percento di ossigeno, che è la composizione dell'aria nell'atmosfera terrestre.

"C'è anche una funzione chiamata 'punto triplo' rappresentata da un punto rosso sul video. Se guardi molto da vicino, ai due video, il punto triplo sulla cassa dell'azoto non si sposta mai; rimane in una posizione mentre tutto si muove su di esso.

Ma nel caso dell'aria che reagisce, il punto triplo si sposta. Oscilla avanti e indietro con tutto il resto che si muove ancora intorno ad esso, " Ha detto Levin. "Questo ci ha detto quali erano le reazioni chimiche efficaci. Stanno scaricando calore o energia extra nel flusso, che cambia l'instabilità, il comportamento instabile.

Levin ha affermato che i progettisti di aeromobili sul design per compensare la mancata conoscenza delle esigenze esatte, ad esempio, lo spessore minimo necessario per uno scudo termico.

"In definitiva, attraverso questa ricerca di base, avremo delle risposte, alcune regole pratiche per le persone, che sono a livello di progettazione, " ha detto. "Non dovranno eseguire calcoli petascale, ma sapranno che se hanno determinate forme in determinate posizioni rispetto all'angolo di attacco, devono preoccuparsi delle instabilità durante la progettazione di veicoli spaziali per un rientro sicuro nell'atmosfera terrestre o in altre atmosfere. Possono togliere un lembo o riposizionare un lembo per una superficie di controllo per ridurre al minimo o prevenire le instabilità".

Lo studio, "Analisi modale con corretta decomposizione ortogonale di flussi separati ipersonici su un doppio cuneo, " è stato condotto da Deborah Levin e Ozgur Tumuklu dell'Università dell'Illinois, e Vassilis Theofilis dell'Università di Liverpool. Appare sul diario, Fluidi per la revisione fisica .