Molti dei processi scientifici odierni vengono simulati utilizzando modelli matematici basati su computer. Ma affinché un modello possa prevedere con precisione come si comporta il flusso d'aria alle alte velocità, Per esempio, gli scienziati hanno bisogno di dati supplementari sulla vita reale. Fornire dati di convalida, utilizzando metodi aggiornati, è stato un fattore motivante chiave per un recente studio sperimentale condotto da ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

"Abbiamo creato un esperimento fisico in grado di misurare il campo di flusso che altri cercano di simulare con modelli computazionali per prevedere la turbolenza. Convalida i loro modelli e fornisce loro dati aggiuntivi con cui confrontare i loro risultati, soprattutto in termini di velocità, "ha detto Kevin Kim, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale.

Kim ha detto che la galleria del vento che è stata costruita e il design degli esperimenti erano basati su una semplice geometria e fisica fondamentale che ha permesso loro di manipolare due flussi di flusso d'aria, uno da un serbatoio d'aria e l'altro dall'aria ambiente. C'è una barriera fisica tra i due flussi prima che raggiungano la sezione di prova della galleria del vento, dove iniziano a mescolarsi. Le immagini sono prese di particelle di semi nel flusso.

"Ci sono due ugelli che vengono dopo il serbatoio dell'aria. Abbiamo cambiato la geometria di uno degli ugelli per cambiare il numero di Mach complessivo, poi studiato i diversi strati di mescolamento dove si incontrano i due flussi, " Kim ha detto. "A seconda delle diverse velocità dei due flussi in arrivo, inizi a vedere diverse caratteristiche della miscelazione."

La velocità del flusso libero primario è iniziata a Mach 0,5 subsonica, e aumentato a 2,5 con incrementi di 0,5. Il flusso libero secondario era tutto subsonico, sotto Mach 1.

Kim ha detto che nella maggior parte dei precedenti esperimenti di questo campo di flusso, la velocità è stata generalmente misurata solo in due direzioni:nella direzione della corrente libera e perpendicolare ad essa. Ciò che ha reso unico questo esperimento è che le misurazioni della velocità sono state prese anche nella direzione dello span per tutti i diversi numeri di Mach.

"Bassa velocità, casi incomprimibili, sono in gran parte caratterizzati da miscelazione bidimensionale, così puoi ottenere molte informazioni importanti semplicemente guardando i componenti X e Y, " Kim ha detto. "Perché abbiamo aumentato il numero di Mach, la compressibilità sale nello strato di taglio. Di conseguenza, vediamo una miscelazione su più ampia scala nella direzione dell'ampiezza che non vedevamo quando era incomprimibile. Un obiettivo chiave del lavoro era assicurarci di ottenere quel terzo componente della velocità per capire come si relaziona alla turbolenza complessiva con il cambiamento della compressibilità. E anche per catturare le condizioni del flusso in entrata, gli strati limite".

Secondo Kim, sono stati eseguiti solo altri due esperimenti sullo strato di miscelazione che hanno ottenuto tutte e tre le componenti della velocità. "I nostri risultati corrispondono ai loro, che convalida i nostri esperimenti, ma ci siamo spinti oltre misurando il flusso per un'ampia gamma di numeri di Mach."

Ha detto che un'applicazione diretta nel mondo reale per questo lavoro è per migliorare la combustione dello scramjet, in cui l'aria supersonica entra attraverso il combustore e si mescola con il carburante.

"Scientificamente, l'applicazione principale è il fatto che abbiamo questi risultati per un campo di flusso molto fondamentale che i simulatori ora possono utilizzare per convalidare i loro modelli. Inoltre, tutti i nostri dati sono disponibili al pubblico attraverso una pagina Wiki dell'Università dell'Illinois, " ha detto Kim. "Spero che molte persone utilizzino queste informazioni nella loro modellazione e che alla fine possano aiutare a migliorare l'accuratezza e far progredire i metodi nelle simulazioni di flusso ad alta velocità".

Lo studio, "Studio sperimentale tridimensionale degli effetti di comprimibilità su strati di taglio turbolento liberi, " scritto da Kevin U. Kim, Gregory S. Elliott, e J. Craig Dutton è pubblicato nel Giornale AIAA .