นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ที่ Urbana-Champaign ได้รับความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับพฤติกรรมปั่นป่วนของกระแสความเร็วเหนือเสียงโดยใช้เทคนิคการจําลอง 16D ขั้นสูง พวกเขาค้นพบความไม่เสถียรที่ไม่คาดคิดและการหยุดชะงักของการไหลรอบ ๆ แบบจําลองทรงกรวยที่ Mach 0 ซึ่งเป็นการรบกวนที่ไม่เคยเห็นในการศึกษาสองมิติหรือการทดลองก่อนหน้านี้

การค้นพบเหล่านี้อาจมีผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบยานพาหนะความเร็วเหนือเสียงในอนาคต เนื่องจากสามารถช่วยให้วิศวกรเข้าใจว่าความเร็วสุดขั้วมีปฏิสัมพันธ์กับรูปทรงเรขาคณิตของพื้นผิวในรูปแบบใหม่อย่างไร

ที่ความเร็วเหนือเสียง อากาศจะแสดงพฤติกรรมที่ซับซ้อนเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวของเครื่องบิน ก่อให้เกิดลักษณะต่างๆ เช่น ชั้นขอบเขตและคลื่นกระแทก นักวิจัยในภาควิชาวิศวกรรมการบินและอวกาศที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ที่ Urbana-Champaign ที่ Granger School of Engineering ได้สังเกตเห็นการรบกวนใหม่ในปฏิสัมพันธ์เหล่านี้เป็นครั้งแรกโดยใช้การจําลอง 3D เต็มรูปแบบ

การเรียกใช้การจําลอง 3D ความละเอียดสูงที่ความเร็วเหนือเสียงต้องใช้พลังการประมวลผลมหาศาล การวิจัยนี้เกิดขึ้นได้จากแหล่งข้อมูลหลักสองประการ: การเข้าถึง Frontera ซึ่งเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ชั้นนําที่ได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติที่ Texas Advanced Computing Center; ประการที่สองคือซอฟต์แวร์เฉพาะทางที่ได้รับการพัฒนาในช่วงหลายปีที่ผ่านมาโดยอดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของศาสตราจารย์ Deborah Levin หลายคน Levin เป็นผู้นําการศึกษาร่วมกับนักศึกษาปริญญาเอกของเธอ Irmak Taylan Karpuzcu

มุมมองการเชื่อมต่อทรงกรวยที่จําลองฟิลด์โฟลว์ ป้ายกํากับ A, B และ C ในภาพคือตําแหน่งของแรงกระแทกทรงกรวย เส้นแยกคลื่น และความไม่ต่อเนื่องเป็นวงกลม เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ที่โรงเรียนวิศวกรรมศาสตร์ Urbana-Champaign Granger

"โดยไม่คํานึงถึงรูปทรงเรขาคณิตของการไหล การไหลเปลี่ยนผ่านเป็นแบบสามมิติและไม่เสถียรโดยเนื้อแท้ การทดลอง 3 มิติที่ดําเนินการในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 ไม่ได้ให้ข้อมูลเพียงพอที่จะระบุผลกระทบหรือความไม่เสถียรของ 3 มิติ เนื่องจากมีเซ็นเซอร์ไม่เพียงพอรอบโมเดลกรวย ไม่มีอะไรผิดปกติกับสิ่งนั้น นั่นเป็นเพียงความเป็นไปได้ทั้งหมดในขณะนั้น" Karpuzcu กล่าว "เรามีข้อมูลนี้ให้เปรียบเทียบ แต่ตอนนี้เรามีภาพรวมทั้งหมดในสามมิติแล้ว มันก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง โดยปกติ คุณจะคิดว่าการไหลรอบกรวยเป็นแถบศูนย์กลาง แต่เราสังเกตเห็นว่ามีรอยแตกในการไหลภายในชั้นกระแทกทั้งในรูปทรงกรวยเดี่ยวและกรวยคู่ ”

ใช้ภาพจําลองไอโซเฟสชั่นเพื่อแสดงภาพความเร็วเชิงมุมบนไบคอน เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ที่โรงเรียนวิศวกรรมศาสตร์ Urbana-Champaign Granger

Kapuscu กล่าวว่าพวกเขาสังเกตเห็นรอยแตกใกล้กับปลายกรวยและคลื่นกระแทกใกล้กับจุดที่โมเลกุลของอากาศมารวมตัวกันทําให้มีความหนืดมากขึ้นที่ Mach 16

"เมื่อตัวเลข Mach เพิ่มขึ้น คลื่นกระแทกจะเข้าใกล้พื้นผิวมากขึ้นเรื่อยๆ ทําให้ความไม่มั่นคงเหล่านี้รุนแรงขึ้น ค่าใช้จ่ายในการเรียกใช้การจําลองในแต่ละความเร็วนั้นสูงเกินไป แต่เราเรียกใช้การจําลองที่ Mach 6 และไม่เห็นการหยุดชะงักของการไหล ”

จากข้อมูลของ Capuscu รูปทรงกรวยแสดงถึงรุ่นที่เรียบง่ายของยานพาหนะความเร็วเหนือเสียงจํานวนมาก และการทําความเข้าใจว่าการไหลส่งผลต่อคุณสมบัติของพื้นผิวอย่างไรสามารถช่วยในการพิจารณาการออกแบบได้

ภาพจําลองนี้แสดงโปรไฟล์ความหนาแน่นราวกับว่าคุณกําลังดูที่ปลายกรวย เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ที่โรงเรียนวิศวกรรมศาสตร์ Urbana-Champaign Granger

"ซอฟต์แวร์ภายในทีมของเราทําให้การจําลองในโปรเซสเซอร์แบบขนานมีประสิทธิภาพมากขึ้นและเร็วขึ้นมาก เรามีข้อมูลการทดลองด้วยความเร็วสูงอยู่แล้ว ดังนั้นเราจึงมีสัญชาตญาณว่าการจําลองจะมีลักษณะอย่างไร แต่ใน 3D เราพบความก้าวหน้าที่ไม่คาดคิด ”

เขากล่าวว่าส่วนที่ยากที่สุดในงานของเขาคือการวิเคราะห์สาเหตุของการหยุดชะงักของกระบวนการ

"กระแสควรไหลไปทุกทิศทาง แต่สม่ําเสมอ เราต้องพิสูจน์ปรากฏการณ์ที่เราเห็น การทบทวนวรรณกรรมของเราแสดงให้เห็นว่าการวิเคราะห์ความเสถียรเชิงเส้นตามทฤษฎีสามชั้นสามารถนําไปใช้กับการไหลนี้ได้ หลังจากวิเคราะห์สูตรที่ซับซ้อนและเชื่อมโยงกับกรณีของเราแล้ว เราก็พัฒนาโค้ดเพื่อจําลองปัญหาแบบดิจิทัลอีกครั้ง มันยากที่จะเรียกใช้การจําลองมอนติคาร์โลโดยตรงแบบ 180D แต่จากนั้นเราก็ตั้งค่าโปรแกรมคอมพิวเตอร์ตัวที่สองเพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างทํางานได้และอยู่ในขอบเขตของสภาพการไหลของเรา เมื่อเราทําเช่นนี้เราจะเห็นว่ากรวยถูกแบ่งออกเป็นสองชิ้นใหญ่เป็นระยะที่ 0 องศา ”

ข้อดีของการจําลองมอนติคาร์โลโดยตรงคือสามารถติดตามทุกโมเลกุลของอากาศในการไหลและจับแรงกระแทกได้ Capuscu กล่าว

"เมื่อคุณใช้วิธีอื่นในการคํานวณพลศาสตร์ของไหล ทุกอย่างเป็นแบบกําหนด เมื่อเรานําอนุภาคเข้าสู่สนามการไหลความน่าจะเป็นที่อนุภาคจะชนกับอนุภาคอื่นหรือพื้นผิวที่เป็นของแข็งจะถูกคํานวณตามสูตรตามฟิสิกส์ แต่ผลลัพธ์คือการทอยลูกเต๋า วิธีมอนติคาร์โลเกี่ยวข้องกับความพยายามแบบสุ่มซ้ําๆ มันกว้างกว่าวิธีการพลศาสตร์ของไหลเชิงคํานวณแบบดั้งเดิม และเรากําลังติดตามอนุภาคหลายพันล้านอนุภาค สิ่งนี้ทําให้มั่นใจได้ว่ามีอนุภาคเพียงพอในสนามการไหลและการชนกันจะถูกจับได้อย่างถูกต้อง ”

编译自/ScitechDaily