Utilizzando i dati raccolti in una galleria del vento Langley Mach 6 della NASA, i ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign hanno replicato le condizioni di flusso ipersonico di un flusso a rampa di compressione mediante la simulazione numerica diretta. La simulazione ha prodotto un'abbondanza di dati aggiuntivi, che può essere utilizzato per comprendere meglio i fenomeni che si verificano attorno ai veicoli che viaggiano a velocità ipersoniche.

"I dati degli esperimenti sono in qualche modo limitati, ad esempio presi da sonde di pressione in alcune posizioni su un oggetto di prova. Quando eseguiamo una simulazione numerica, acquisiamo informazioni, come pressione, temperatura, densità, e velocità del fluido, circa l'intero campo di flusso, comprese le superfici del veicolo. Questo può aiutare a spiegare alcune delle cose che gli sperimentali hanno trovato ma che non sono riusciti a spiegare a causa della mancanza di dati, " disse Fabian Dettenrieder, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di ingegneria aerospaziale dell'Illinois.

Lo studio ha simulato una superficie di controllo all'estremità di un'ala utilizzata per manovrare un aereo. In questo caso, simulava una lastra piana compreso il bordo d'attacco, con una configurazione a rampa di compressione di 35 gradi che era stata precedentemente testata sperimentalmente nella galleria del vento ipersonica di Langley.

Dettenrieder ha spiegato che i flussi ipersonici sono complessi. L'elevata energia del flusso si traduce in notevoli carichi di pressione e calore che, oltre agli urti, creano problemi impegnativi sia sperimentalmente che numericamente. La configurazione del flusso considerata in questo studio comporta un angolo di rampa super-critico risultante in una bolla di separazione che è intrinsecamente instabile. La cattura accurata di questo fenomeno è complessa in quanto è altamente suscettibile al suo ambiente, come rumore acustico e turbolenza. Per di più, più sottili sono i pannelli all'esterno di un veicolo, in genere motivati ​​da ottimizzazioni del peso, più è probabile che inizino a deviare da un comportamento perfettamente rigido, che si traduce in un'interazione con il flusso e può creare ulteriore complessità del sistema fluido-strutturale.

E, oltre ai fattori che contribuiscono alla turbolenza in un ambiente naturale, la stessa galleria del vento provoca disturbi acustici che possono innescare moti fluidi instabili che portano a turbolenze.

"Ritenevamo che una discrepanza riscontrata tra i dati sperimentali e una precedente simulazione 2-D fosse dovuta alla mancanza della radiazione acustica generata dalle pareti della galleria del vento. In questa simulazione 3-D, abbiamo replicato l'esperimento della galleria del vento in condizioni sia di quiete che di rumore, introducendo disturbi del flusso libero al confine del campo lontano del dominio computazionale.

"L'impatto del disturbo acustico è stato studiato in precedenza, ma non nel contesto di questa configurazione a rampa ipersonica, ", ha detto. "Siamo stati in grado di prescrivere con precisione le perturbazioni acustiche del flusso libero." Ha detto che ciò che hanno osservato si aggiunge alla comprensione fondamentale dei fenomeni di flusso instabile osservati negli esperimenti.

La simulazione è stata eseguita su Frontera, un sistema di supercomputer finanziato dalla National Science Foundation presso il Texas Advanced Computing Center dell'Università del Texas ad Austin. Il consigliere di facoltà di Dettenrieder è il professor Daniel Bodony di Blue Waters, che ha ricevuto un'assegnazione di 5 milioni di ore nodo su Frontera per studiare le interazioni fluido-termico-struttura.

Dettenrieder ha detto che la simulazione continua a girare su Frontera e non è ancora finita. "È molto laborioso e richiede tempo, " ha detto. "Lo controllo un paio di volte al giorno per assicurarmi che funzioni correttamente. Sta continuando ad acquisire più dati che forniranno ulteriori informazioni per aiutarci a comprendere le complessità del flusso ipersonico".