La turbolenza che si verifica nella regione di bassa pressione dietro un razzo che viaggia a velocità supersoniche è complessa e non ben compresa. Nel primo studio sperimentale del suo genere, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno contribuito a colmare il divario di conoscenza per questi flussi dimostrando l'esistenza di vortici a forcina in un flusso separato supersonico.

"C'è un'instabilità nel flusso molto a monte, chiamata instabilità di Kelvin-Helmholtz, dove due regioni di fluido passano l'una accanto all'altra, con uno che si muove più velocemente dell'altro, e il fluido diventa instabile e inciampa. Quando inciampa, inizia a ruotare rapidamente e il vortice può trasformarsi in una forma diversa mentre si convetta, " disse Branden Kirchner, dottorato di ricerca studente presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale. "Il vortice inizia allungato lungo una linea approssimativamente retta. Poi, mentre si sposta più a valle, si evolve e si trasforma in questa forma coerente a forcina. In passato ci sono state simulazioni al computer di questo tipo di flusso, prevedere che queste strutture esistano. Ma senza misurazioni sperimentali di loro, non puoi effettivamente confermare che ci siano. Questo studio ha stabilito fermamente che i vortici a forcina non sono solo comunemente presenti in questo flusso, ma contribuiscono anche in modo significativo all'energia turbolenta e a molte delle caratteristiche importanti che creano quella bassa pressione, regione ad alta resistenza."

Le strutture a vortice appaiono a circa Mach 2,5 durante il segmento di crociera di un missile quando i razzi non stanno bruciando.

Kirchner ha affermato che in realtà si verificano due tipi di strutture a forma di forcina:dritte e invertite. Il primo è stato studiato dagli anni '50 in strati limite turbolenti, ma ha ricevuto molta meno attenzione nei flussi di taglio libero.

"Nel flusso che abbiamo studiato, lo strato limite svanisce quando il flusso si separa, quindi c'è solo questo fluido di taglio che si muove attraverso lo spazio libero, " ha detto. "Una delle conseguenze speciali di non avere quel confine di muro quando queste strutture si formano è che queste strutture a forcina possono ora formarsi capovolte. Un tipo di tornante si forma quando quella struttura iniziale si trasforma in una direzione, e l'altro quando si trasforma nella direzione opposta. Sono geometricamente lo stesso tipo di struttura, ma poiché sono orientati inversamente l'uno rispetto all'altro, anche ciò che fanno al flusso è all'indietro."

Che effetto hanno i vortici a forcina sul flusso? Kirchner ha detto che hanno ancora molto da imparare.

"Sappiamo che sono uno di, se non le caratteristiche più energetiche della turbolenza in questo flusso. Riteniamo che abbiano un effetto significativo su ciò che sta effettivamente creando la regione di bassa pressione dietro il cilindro".

Kirchner ha affermato che la turbolenza è comunemente vista come una distribuzione casuale di strutture a vortice con forme 3-D arbitrarie. Crede che ci sia un chiaro insieme di meccanismi fisici che li guidano.

"Stiamo trovando ordine nel caos. Abbiamo trovato non solo turbolenze ordinate organizzate, ma che questa turbolenza organizzata è anche il maggior contributore all'energia turbolenta nel flusso. Questa conoscenza è molto utile per i computazionalisti che cercano di prevedere questo flusso. Se, nelle loro simulazioni, possono dimostrare questo stesso tipo di struttura, indurre lo stesso tipo di eventi, e dominando l'energia, quindi sanno di essere sulla strada giusta con molte importanti funzionalità di flusso nelle loro simulazioni. Fornisce anche una potenziale strada per implementare un metodo di controllo del flusso per, Per esempio, aumentare la pressione dietro il cilindro e ridurre la resistenza. Potresti interrompere il meccanismo che genera queste strutture e impedire la formazione di queste strutture. O, se le strutture si rivelano vantaggiose, puoi crearne di più, e poi modificare il carico di pressione sulla bombola per qualsiasi caratteristica si voglia avere, " Egli ha detto.

Per l'esperimento, Kirchner ha utilizzato una tecnica di misurazione che utilizza la tomografia ottica, chiamata velocimetria dell'immagine delle particelle tomografiche, che è simile a come funziona una risonanza magnetica o una TAC. Le immagini sono prese di una regione da più prospettive contemporaneamente, e da ciò, è possibile ricostruire un'immagine tridimensionale. Quindi, le misurazioni possono fornire la geometria tridimensionale completa di questi complessi eventi turbolenti.

Kirchner ha detto che la tecnica non è qualcosa che ha sviluppato, ma l'Illinois ha uno dei pochi laboratori al mondo ad aver mai usato con successo questa tecnica di misurazione in un flusso supersonico.