"Данные экспериментов несколько ограничены - например, взяты с датчиков давления в нескольких местах на испытуемом объекте. Когда мы проводим численное моделирование, мы получаем информацию - такую как давление, температура, плотность и скорость жидкости - обо всем поле потока, включая поверхности транспортного средства. Это может помочь объяснить некоторые вещи, которые экспериментаторы обнаружили, но не смогли полностью объяснить из-за нехватки данных", - сказал Фабиан Деттенридер, докторант кафедры аэрокосмической инженерии в Иллинойсе.

В ходе исследования была смоделирована поверхность управления на конце крыла, используемая для маневрирования самолетом. В этом случае он имитировал плоскую пластину, включая переднюю кромку, с конфигурацией рампы сжатия 35 градусов, которая ранее была экспериментально протестирована в гиперзвуковой аэродинамической трубе Лэнгли.

Деттенридер объяснил, что гиперзвуковые потоки сложны. Высокая энергия потока приводит к значительным нагрузкам давления и тепла, которые - в дополнение к ударам - создают сложные проблемы как экспериментально, так и численно. Конфигурация потока, рассмотренная в этом исследовании, включает в себя сверхкритический угол наклона, приводящий к образованию разделительного пузырька, который по своей природе нестабилен. Точное запечатление этого явления является сложной задачей, поскольку оно очень чувствительно к окружающей среде, такой как акустический шум и турбулентность. Кроме того, чем тоньше панели на внешней стороне транспортного средства, что обычно мотивируется оптимизацией веса, тем больше вероятность того, что они начнут отклоняться от идеально жесткого поведения, что приводит к взаимодействию с потоком и может создать дополнительную сложность жидкостно-структурной системы.

И, в дополнение к факторам, способствующим турбулентности в естественной среде, сама аэродинамическая труба вызывает акустические помехи, которые могут вызвать неустойчивые движения жидкости, приводящие к турбулентности.

"Мы полагали, что несоответствие, которое было обнаружено между экспериментальными данными и предыдущим 2D-моделированием, было вызвано отсутствием акустического излучения, генерируемого стенами аэродинамической трубы. В этом 3D-моделировании мы воспроизвели эксперимент в аэродинамической трубе как в тихих, так и в шумных условиях - шум из-за введения возмущений свободного потока на границе дальнего поля вычислительной области.

"Влияние акустических помех изучалось ранее, но не в контексте этой конфигурации гиперзвуковой рампы", - сказал он. "Мы смогли точно определить акустические возмущения свободного потока". Он сказал, что то, что они наблюдали, дополняет фундаментальное понимание явлений нестационарного течения, наблюдаемых в экспериментах.

Моделирование проводилось на Frontera, суперкомпьютерной системе, финансируемой Национальным научным фондом, в Техасском центре передовых вычислений Техасского университета в Остине. Преподавательским советником Деттенридера является профессор Blue Waters Дэниел Бодони, который получил 5 миллионов узловых часов на Frontera для изучения взаимодействия жидкости и тепловой структуры.

Деттенридер сказал, что симуляция продолжает выполняться на Frontera и еще не завершена. "Это очень трудоемко и отнимает много времени", - сказал он. "Я проверяю его пару раз в день, чтобы убедиться, что он работает должным образом. Он продолжает собирать больше данных, которые внесут больше информации, чтобы помочь нам понять сложности гиперзвукового потока ".

Исследование "Прямое численное моделирование восприимчивости пограничного слоя к акустическому излучению в гиперзвуковом сжимающем потоке" было написано Фабианом Деттенридером, Брайсоном Салливаном и Дэниелом Дж. Бодони из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, а также Антонио Шонейхом и Стюартом Лоуренсом из Университета Мэриленда. Работа финансируется Управлением научных исследований ВВС, а д-р Сара Попкин является руководителем программы.