Många av dagens vetenskapliga processer simuleras med hjälp av datordrivna matematiska modeller. Men för en modell att exakt förutsäga hur luftflödet beter sig vid höga hastigheter, till exempel, forskare behöver kompletterande verkliga data. Tillhandahålla valideringsdata, med hjälp av uppdaterade metoder, var en viktig motivationsfaktor för en ny experimentell studie genomförd av forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign.

"Vi skapade ett fysiskt experiment som kunde mäta flödesfältet som andra försöker simulera med beräkningsmodeller för att förutsäga turbulens. Det validerar deras modeller och ger dem ytterligare data att jämföra sina resultat mot, särskilt när det gäller hastighet, "sa Kevin Kim, doktorand vid Institutionen för rymdteknik.

Kim sa att vindtunneln som byggdes och experimentens design baserades på enkel geometri och grundläggande fysik som gjorde att de kunde manipulera två luftflöden, en från en lufttank och den andra från omgivande rumsluft. Det finns en fysisk barriär mellan de två bäckarna innan de når vindtunneln, där de börjar blanda. Bilder tas av fröpartiklar i flödet.

"Det finns två munstycken som kommer efter lufttanken. Vi ändrade geometri för ett av munstyckena för att ändra det totala Mach -antalet, studerade sedan de olika blandningsskikten där de två flödena möts, "Sa Kim." Beroende på de olika hastigheterna för de två strömmarna som kommer in, du börjar se olika egenskaper hos blandningen. "

Den primära fria strömhastigheten började vid subsoniska Mach 0.5, och ökade till 2,5 i 0,5 steg. Den sekundära fria strömmen var helt subsonisk, under Mach 1.

Kim sa att i de flesta tidigare experiment av detta flödesfält, hastighet har i allmänhet bara mätts i två riktningar:i riktningen av friströmmen och vinkelrätt mot den. Det som gjorde detta experiment unikt är att hastighetsmätningar också gjordes i span-vis riktning för alla de olika Mach-numren.

"Låg hastighet, oförenliga fall, kännetecknas till stor del av tvådimensionell blandning, så du kan få mycket viktig information genom att bara titta på X- och Y -komponenterna, "Sa Kim." Eftersom vi ökade Mach -antalet, komprimerbarheten går upp i skjuvskiktet. Följaktligen, vi ser blandning i större skala i den span-visa riktningen som vi inte såg när den var inkomprimerbar. Ett viktigt mål för arbetet var att se till att vi fick den tredje komponenten av hastighet för att förstå hur det förhåller sig till den totala turbulensen med förändrad kompressibilitet. Och även för att fånga de inkommande flödesförhållandena, gränsskikten. "

Enligt Kim, endast två andra blandningsskiktsexperiment har utförts som erhållit alla tre hastighetskomponenterna. "Våra resultat matchar deras, som validerar våra egna experiment, men vi tog det vidare genom att mäta flödet för ett brett spektrum av Mach -nummer. "

Han sa att en direkt verklig applikation för detta arbete är att förbättra förbränning av scramjet, där supersonisk luft kommer in genom förbrännaren och blandas med bränsle.

"Vetenskapligt, huvudapplikationen är det faktum att vi har dessa resultat för ett mycket grundläggande flödesfält som simulatorer nu kan använda för att validera sina modeller. Dessutom, all vår data är tillgänglig för allmänheten via en Wiki -sida vid University of Illinois, "Kim sa." Jag hoppas att många människor använder denna information i sin modellering och att det i slutändan kan bidra till att förbättra noggrannheten och avancera metoderna i höghastighetsflödessimuleringar. "

Studien, "Tredimensionell experimentell studie av kompressibilitetseffekter på turbulenta fria skjuvskikt, " skrivet av Kevin U. Kim, Gregory S. Elliott, och J. Craig Dutton publiceras i AIAA Journal .