När jag studerar de kemiska reaktionerna som uppstår i gasflödet runt ett fordon som rör sig med hypersonisk hastighet, forskare vid University of Illinois använde en mindre-är-mer-metod för att få större förståelse för de kemiska reaktionernas roll för att modifiera ostadiga flöden som uppstår i det hypersoniska flödet runt en dubbelkilform.

"Vi minskade trycket med en faktor åtta, vilket experimentalister inte kunde göra, "sa Deborah Levin, forskare vid Institutionen för rymdteknik vid University of Illinois i Urbana-Champaign. "I en verklig kammare, de försökte minska trycket men kunde inte minska det så mycket eftersom apparaterna är utformade för att fungera inom en viss region. De kunde inte använda den om trycket var för lågt. När vi minskade trycket i simuleringen, vi fann att instabiliteten i flödet lugnade sig. Vi hade fortfarande mycket av den typen av virvelstruktur - separationsbubblor och virvlar - de fanns kvar. Men uppgifterna var mer överförbara, mer begripliga när det gäller deras tidsvariation. "

Levin genomförde forskningen tillsammans med henne, sedan, doktorand Ozgur Tumuklu, och Vassilis Theofilis från University of Liverpool.

Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) -metoden, ett fysiskt tillvägagångssätt av hög kvalitet användes för att simulera det hypersoniska flödet. Men, som vilken metod som helst, det har för och nackdelar. En nackdel är att det skapar flödet genom att samla in stora mängder kollisionsdata, producera strimmor och partikeldata, och med det, statistiskt brus.

Forskarna matade DSMC -resultaten till ett fönster som är rätt ortogonalt sönderdelningsprogram, ett exempel på en så kallad reducerad ordermodell för att göra analyserna av DSMC -resultatens tidsbeteende mycket mer genomförbara.

"Det är en mycket smart metod som är mer överförbar och kan minska beräkningsansträngning, "Sa Levin." Innan vi hade den här tekniken, vi skulle välja tredimensionella tryckdata, densitet, och temperatur, som varierar genom hela flödet över fordonets yttre form. Vi skulle sitta på olika platser i flödet och samla in data vid varje steg. Det blir en skattjakt - du tittar här, du tittar där, var du än tror att det finns en känslig del av flödet där du kan se några förändringar.

"Den största skillnaden i att använda WPOD är att den organiserar all den rymddata, som förändras som en funktion av tiden, och det ger dig en uppfattning om vad det tror är sönderfallslägen, "Sa Levin.

Förutom tillämpningen av denna nya metod för att tolka data, forskargruppen fick ny kunskap om de kemiska reaktionerna som sker i hypersoniskt flöde. Studien tittade på tre typer av gassammansättningar - molekylärt kväve, icke-reagerande luft bestående av molekylärt kväve och syre, och reagera luft med syredissociation och kväveoxidutbytesreaktionerna.

"Vi lärde oss om vibrationstemperaturer, "Sa Levin." Dessa är vanligtvis mycket svåra att beräkna. Vi lärde oss att kunna förutsäga kemiska arter, som kväveoxid - en förening i gasfasen, som bara finns i mycket små mängder. Det produceras i hypersoniska flöden i en av tusen partiklar. Det är inte en viktig komponent, som 79 procent kväve, men det är väldigt viktigt och vi ville kunna förutsäga det. Med denna teknik, vi kunde göra det så mycket lättare. På grund av det kunde vi förstå vilken effekt kemin hade i flödet som producerade kväveoxiden, och hur det påverkade de olika stabilitetslägena. "

Tumuklu skapade korta videor genom att spara all data i ramar, sedan påskynda det för att visa hur flödet utvecklas över tiden. Även om det är svårt att se med ett otränat öga, Levin sa att videon visar skillnaden i hur chockerna interagerar för kvävehuset som inte har några kemiska reaktioner och det reagerande luftkasen av 79 procent kväve och 21 procent syre, som är luftens sammansättning i jordens atmosfär.

"Det finns också en funktion som kallas" trippelpunkten "representerad av en röd prick på videon. Om du tittar mycket noga, på de två videorna, trippelpunkten på kvävehöljet rör sig aldrig; det stannar på en plats medan allt rör sig om det.

Men när det gäller den reagerande luften, trippelpunkten rör sig. Det pendlar fram och tillbaka med allt annat som fortfarande rör sig runt det, ”Sa Levin.” Detta berättade för oss vad de effektiva kemiska reaktionerna var. De tappar extra värme eller energi i flödet, som förändrar instabiliteten, det ostadiga beteendet.

Levin sa att flygplanskonstruktörer översteg design för att kompensera för att de inte visste de exakta behoven - till exempel den minsta tjocklek som behövs för en värmesköld.

"I sista hand, genom denna grundforskning, vi får några svar, några tumregler för människor, som är på designnivå, "sa hon." De behöver inte köra petascale -beräkningar, men de kommer att veta att om de har vissa former vid vissa positioner till angreppsvinkeln, de behöver oroa sig för instabilitet när de utformar rymdfarkoster för säker återinträde i jordens atmosfär eller andra atmosfärer. De kan ta ut en flik eller flytta en flik för en kontrollyta för att minimera eller förhindra instabilitet. "

Studien, "Modalanalys med korrekt ortogonal sönderdelning av hypersoniska separerade flöden över en dubbel kil, "genomfördes av Deborah Levin och Ozgur Tumuklu från University of Illinois, och Vassilis Theofilis från University of Liverpool. Det står i tidningen, Fysiska granskningsvätskor .