Forscher der University of Illinois in Urbana-Champaign haben mithilfe fortschrittlicher 16D-Simulationstechniken ein neues Verständnis des turbulenten Verhaltens von Hyperschallströmungen gewonnen. Mit Hilfe von Supercomputerleistung und spezieller Software entdeckten sie unerwartete Instabilitäten und Strömungsstörungen um das konische Modell bei Mach 0 – Interferenzen, die in früheren zweidimensionalen oder experimentellen Studien noch nie beobachtet wurden.

Diese Erkenntnisse könnten einen erheblichen Einfluss auf das Design zukünftiger Hyperschallfahrzeuge haben, da sie den Ingenieuren helfen könnten, zu verstehen, wie extreme Geschwindigkeiten auf neue Weise mit Oberflächengeometrien interagieren.

Bei Hyperschallgeschwindigkeit zeigt die Luft ein komplexes Verhalten, wenn sie mit der Oberfläche des Flugzeugs interagiert, und bildet Eigenschaften wie Grenzschichten und Schockwellen. Zum ersten Mal haben Forscher des Department of Aerospace Engineering an der University of Illinois in Urbana-Champaign an der Granger School of Engineering neue Störungen in diesen Wechselwirkungen mit vollständigen 3D-Simulationen beobachtet.

Die Durchführung hochauflösender 3D-Simulationen mit Hyperschallgeschwindigkeit erfordert eine enorme Rechenleistung, was die Arbeit kostspielig und herausfordernd macht. Diese Forschung wurde durch zwei wichtige Ressourcen ermöglicht: den Zugang zu Frontera, einem führenden Supercomputer, der von der National Science Foundation am Texas Advanced Computing Center finanziert wird; Die zweite ist spezialisierte Software, die im Laufe der Jahre von mehreren ehemaligen Doktoranden von Professor Deborah Levin entwickelt wurde. Levin leitete die Studie zusammen mit ihrer Doktorandin Irmak Taylan Karpuzcu.

Eine konische Verbindungsansicht, die das Strömungsfeld simuliert. In der Abbildung sind die Positionen von konischen Stößen, Wellentrennlinien und kreisförmigen Diskontinuitäten mit A, B und C gekennzeichnet. Bildnachweis: Universität von Illinois an der Urbana-Champaign Granger School of Engineering

"Unabhängig von der Strömungsgeometrie ist die Übergangsströmung dreidimensional und inhärent instabil. Die 3D-Experimente, die zu Beginn des 21. Jahrhunderts durchgeführt wurden, lieferten nicht genügend Daten, um 3D-Effekte oder Instabilitäten zu bestimmen, da es nicht genügend Sensoren um das Kegelmodell herum gab. Daran ist nichts auszusetzen. Das waren einfach alle Möglichkeiten, die zu diesem Zeitpunkt möglich waren", sagte Karpuzcu. "Wir haben diese Daten zum Vergleich, aber jetzt, da wir ein vollständiges Bild in drei Dimensionen haben, ist es eine andere Geschichte. Normalerweise würde man denken, dass die Strömung um den Kegel herum aus konzentrischen Bändern besteht, aber wir haben festgestellt, dass es sowohl in der Einzel- als auch in der Doppelkegelform Brüche in der Strömung innerhalb der Aufprallschicht gibt. ”

Verwenden Sie ein Isoflächensimulationsbild, um die Winkelgeschwindigkeit auf einem Bicone zu visualisieren. Bildnachweis: Universität von Illinois an der Urbana-Champaign Granger School of Engineering

Kapuscu sagte, sie hätten Risse in der Nähe der Spitzen der Kegel und Schockwellen in der Nähe der Stelle, an der sich die Luftmoleküle sammelten, beobachtet, wodurch sie bei Mach 16 zähflüssiger wurden.

"Mit zunehmender Machzahl kommt die Schockwelle immer näher an die Oberfläche, was diese Instabilitäten noch verstärkt. Die Kosten für die Ausführung der Simulation bei jeder Geschwindigkeit waren zu hoch, aber wir haben die Simulation mit Mach 6 durchgeführt und keine Strömungsunterbrechung festgestellt. ”

Laut Capuscu stellt die Kegelgeometrie eine vereinfachte Version vieler Hyperschallfahrzeuge dar, und das Verständnis, wie sich die Strömung auf die Oberflächeneigenschaften auswirkt, kann bei Designüberlegungen hilfreich sein.

Dieses simulierte Bild zeigt das Dichteprofil so, als ob Sie auf die Spitze eines Kegels schauen würden. Bildnachweis: Universität von Illinois an der Urbana-Champaign Granger School of Engineering

"Die hauseigene Software unseres Teams macht das Ausführen von Simulationen in parallelen Prozessoren viel effizienter und damit viel schneller. Wir hatten bereits experimentelle Daten mit hohen Geschwindigkeiten, so dass wir eine gewisse Intuition hatten, wie die Simulation aussehen würde, aber in 3D fanden wir einen unerwarteten Durchbruch. ”

Für ihn, sagt er, ist der schwierigste Teil seines Jobs die Analyse der Ursachen von Prozessbrüchen.

"Die Strömung sollte in alle Richtungen, aber gleichmäßig fließen. Wir müssen die Phänomene, die wir sehen, beweisen. Unsere Literaturrecherche zeigt, dass eine lineare Stabilitätsanalyse, die auf der Drei-Schichten-Theorie basiert, auf diese Strömung angewendet werden kann. Nachdem wir die komplexe Formel analysiert und mit unserem Fall in Beziehung gesetzt hatten, entwickelten wir einen Code, um das Problem noch einmal digital zu simulieren. Es war schwierig, eine direkte 180D-Monte-Carlo-Simulation durchzuführen, aber dann richteten wir ein zweites Computerprogramm ein, um sicherzustellen, dass alles funktionierte und dass es innerhalb der Grenzen unserer Strömungsbedingungen lag. Wenn wir dies tun, sehen wir, dass der Kegel periodisch in zwei große Stücke bei 0 Grad geteilt wird. ”

Der Vorteil der direkten Simulation von Monte Carlo besteht darin, dass es jedes Luftmolekül in der Strömung verfolgen und den Schock einfangen kann, sagte Capuscu.

"Wenn man andere Methoden zur Berechnung der Fluiddynamik verwendet, ist alles deterministisch. Wenn wir ein Teilchen in das Strömungsfeld einführen, wird die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen mit anderen Teilchen oder einer festen Oberfläche kollidiert, nach einer physikalischen Formel berechnet, aber das Ergebnis ist ein Würfelwurf. Die Monte-Carlo-Methode beinhaltet zufällige, sich wiederholende Versuche. Sie ist breiter als herkömmliche Methoden der numerischen Strömungsmechanik und wir verfolgen Milliarden von Partikeln. Dadurch wird sichergestellt, dass sich genügend Partikel im Strömungsfeld befinden und Kollisionen korrekt erfasst werden. ”

编译自/ScitechDaily