일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스(University of Illinois at Urbana-Champaign)의 연구원들은 첨단 16D 시뮬레이션 기술을 사용하여 극초음속 흐름의 난류 거동에 대한 새로운 이해를 얻었습니다. 그들은 슈퍼컴퓨팅 성능과 맞춤형 소프트웨어를 사용하여 마하 0의 원뿔 모델 주변에서 이전의 2차원 또는 실험 연구에서는 볼 수 없었던 간섭인 예상치 못한 불안정성과 흐름 중단을 발견했습니다.

이러한 발견은 엔지니어가 극한의 속도가 새로운 방식으로 표면 형상과 상호 작용하는 방식을 이해하는 데 도움이 될 수 있기 때문에 미래의 극초음속 차량 설계에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

극초음속에서 공기는 항공기 표면과 상호 작용할 때 복잡한 행동을 보여 경계층 및 충격파와 같은 특성을 형성합니다. 일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스(University of Illinois at Urbana-Champaign) 그레인저 공과대학(Granger School of Engineering)의 항공우주공학과 연구원들은 처음으로 완전한 3D 시뮬레이션을 사용하여 이러한 상호 작용에서 새로운 섭동을 관찰했습니다.

극초음속으로 고해상도 3D 시뮬레이션을 실행하려면 엄청난 컴퓨팅 성능이 필요하므로 작업이 비용이 많이 들고 까다롭습니다. 이 연구는 두 가지 핵심 자원에 의해 가능했습니다 : 텍사스 고급 컴퓨팅 센터 (Texas Advanced Computing Center)의 국립 과학 재단 (National Science Foundation)이 자금을 지원하는 선도 급 슈퍼 컴퓨터 인 Frontera에 대한 액세스; 두 번째는 Deborah Levin 교수의 전 대학원생들이 수년에 걸쳐 개발 한 전문 소프트웨어입니다. 레빈은 박사 과정 학생인 이르막 테일란 카르푸즈쿠(Irmak Taylan Karpuzcu)와 함께 연구를 이끌었다.

흐름 필드를 시뮬레이션하는 원추형 연결 뷰입니다. 이미지에서 A, B, C로 표시된 것은 원뿔형 충격, 파동 분리선 및 원형 불연속성의 위치입니다. 이미지 크레딧: University of Illinois at Urbana-Champaign Granger School of Engineering

"흐름 형상에 관계없이 전이 흐름은 3차원이며 본질적으로 불안정합니다. 21세기 초에 수행된 3D 실험은 원뿔 모델 주변에 충분한 센서가 없었기 때문에 3D 효과나 불안정성을 결정하기에 충분한 데이터를 제공하지 못했습니다. 그것은 잘못된 것이 아닙니다. 그것이 당시의 모든 가능성입니다"라고 Karpuzcu는 말했습니다. "우리는 비교할 데이터가 있지만 이제 3차원으로 전체 그림을 볼 수 있게 되었기 때문에 이야기가 달라집니다. 일반적으로 원뿔 주위의 흐름은 동심원 밴드라고 생각할 수 있지만, 우리는 단일 원뿔 모양과 이중 원뿔 모양 모두에서 충격층 내의 흐름에 균열이 있음을 발견했습니다. ”

등곡면 시뮬레이션 이미지를 사용하여 바이콘의 각속도를 시각화합니다. 이미지 크레딧: University of Illinois at Urbana-Champaign Granger School of Engineering

카푸스쿠는 원뿔 끝 부분의 균열과 공기 분자가 모이는 곳 근처의 충격파를 관찰하여 마하 16에서 더 점성을 갖게 되었다고 말했다.

"마하 수치가 증가함에 따라 충격파는 표면에 점점 더 가까워지면서 이러한 불안정성을 악화시킵니다. 각 속도에서 시뮬레이션을 실행하는 데 드는 비용이 너무 높았지만 마하 6에서 시뮬레이션을 실행했고 흐름 중단을 못했습니다. ”

Capuscu에 따르면 원뿔 형상은 많은 극초음속 비행체의 단순화된 버전을 나타내며, 흐름이 표면 속성에 미치는 영향을 이해하면 설계 고려 사항에 도움이 될 수 있습니다.

이 시뮬레이션된 이미지는 원뿔의 끝을 보고 있는 것처럼 밀도 프로파일을 보여줍니다. 이미지 크레딧: University of Illinois at Urbana-Champaign Granger School of Engineering

"우리 팀의 사내 소프트웨어를 사용하면 병렬 프로세서에서 시뮬레이션을 훨씬 더 효율적이고 빠르게 실행할 수 있습니다. 우리는 이미 고속의 실험 데이터를 가지고 있었기 때문에 시뮬레이션이 어떻게 보일지 어느 정도 직감할 수 있었지만, 3D에서는 예상치 못한 돌파구를 찾았습니다. ”

그는 자신의 업무에서 가장 어려운 부분은 프로세스 중단의 원인을 분석하는 것이라고 말합니다.

"흐름은 모든 방향으로 흐르지만 균일해야 합니다. 우리는 우리가 보는 현상을 증명해야 합니다. 우리의 문헌 검토는 3층 이론에 기반한 선형 안정성 해석이 이 흐름에 적용될 수 있음을 보여줍니다. 복잡한 공식을 분석하고 이를 사례와 연관시킨 후 문제를 다시 디지털 방식으로 시뮬레이션하는 코드를 개발했습니다. 180D 직접 몬테카를로 시뮬레이션을 실행하는 것은 어려웠지만, 모든 것이 제대로 작동하고 있으며 흐름 조건의 한계 내에 있는지 확인하기 위해 두 번째 컴퓨터 프로그램을 설정했습니다. 이렇게 하면 원뿔이 주기적으로 0도에서 두 개의 큰 조각으로 나뉘는 것을 볼 수 있습니다. ”

몬테카를로를 직접 시뮬레이션하는 것의 장점은 흐름의 모든 공기 분자를 추적하고 충격을 포착할 수 있다는 것이라고 Capuscu는 말했습니다.

"유체 역학을 계산하기 위해 다른 방법을 사용하면 모든 것이 결정론적입니다. 유동장에 입자를 도입할 때 입자가 다른 입자 또는 고체 표면과 충돌할 확률은 물리학 기반 공식에 따라 계산되지만 출력은 주사위를 굴린 것입니다. 몬테카를로 방법은 무작위적이고 반복적인 시도를 포함합니다. 이는 기존의 전산 유체 역학 방법보다 더 광범위하며, 우리는 수십억 개의 입자를 추적하고 있습니다. 이렇게 하면 유동장에 충분한 입자가 있고 충돌이 올바르게 캡처됩니다. ”

编译自/ScitechDaily