Turbulensen som uppstår i lågtrycksregionen bakom en raket som färdas med överljudshastigheter är komplex och är inte väl förstådd. I den första experimentella studien i sitt slag, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign hjälpte till att stänga kunskapsluckan för dessa flöden genom att bevisa förekomsten av hårnålvirvlar i ett supersoniskt separerat flöde.

"Det finns en instabilitet i flödet långt uppströms, kallade Kelvin-Helmholtz instabilitet, där två vätskeområden passerar varandra, med den ena som rör sig snabbare än den andra, och vätskan blir instabil och trippar. När den trippar, det börjar rotera snabbt och virveln kan förvandlas till en annan form när den övertygar, "sa Branden Kirchner, Ph.D. student vid Institutionen för rymdteknik. "Virveln börjar långsträckt längs en ungefär rak linje. Sedan, när det rör sig längre nedströms, det utvecklas och förvandlas till denna sammanhängande hårnålsform. Tidigare har det varit datasimuleringar av denna typ av flöde, förutsäga att dessa strukturer existerar. Men utan experimentella mätningar av dem, du kan faktiskt inte bekräfta att de finns där. Denna studie fastslog fast att hårnålvirvlar inte bara är vanligt förekommande i detta flöde, men de bidrar också avsevärt till den turbulenta energin och många viktiga funktioner som skapar det låga trycket, region med hög dragkraft. "

Virvelstrukturerna dyker upp på cirka Mach 2,5 under cruisesegmentet i en missil när raketerna inte brinner.

Kirchner sa att det faktiskt finns två typer av hårnålformade strukturer som uppstår-upprätt och omvänd. Det förstnämnda har studerats sedan 50 -talet i turbulenta gränsskikt, men har fått mycket mindre uppmärksamhet vid fria skjuvflöden.

"I flödet vi studerade, gränsskiktet försvinner när flödet separerar - så det är just denna skärvätska som rör sig genom ledigt utrymme, "sa han." En av de speciella konsekvenserna av att inte ha den där vägggränsen när dessa strukturer bildas är att dessa hårnålstrukturer nu kan bildas upp och ner. En typ av hårnål bildas när den ursprungliga strukturen förvandlas i en riktning, och den andra när den går i motsatt riktning. De är geometriskt samma typ av struktur, men för att de är omvända orienterade mot varandra, vad de gör med flödet är också bakåt. "

Vilken effekt har hårnålvirvlar på flödet? Kirchner sa att de fortfarande har mycket att lära.

"Vi vet att de är en av, om inte de mest energiska dragen i turbulensen i detta flöde. Vi tror att de har en betydande effekt på vad som faktiskt skapar lågtrycksregionen bakom cylindern. "

Kirchner sa att turbulens vanligtvis ses som en slumpmässig fördelning av virvelstrukturer med godtyckliga 3D-former. Han tror att det finns en tydlig uppsättning fysiska mekanismer som driver dem.

"Vi hittar ordning i kaoset. Vi har hittat inte bara organiserad ordnad turbulens, men att denna organiserade turbulens också är den största bidragsgivaren till den turbulenta energin i flödet. Denna kunskap är mycket användbar för beräkningsmän som försöker förutsäga detta flöde. Om, i deras simuleringar, de kan visa samma typ av struktur, framkalla samma typ av händelser, och dominerar energin, då vet de att de är på rätt väg med många viktiga flödesfunktioner i sina simuleringar. Det ger också en möjlig väg att implementera en metod för flödeskontroll till, till exempel, höja trycket bakom cylindern och minska motståndet. Du kan störa mekanismen som genererar dessa strukturer och förhindra att dessa strukturer bildas. Eller, om strukturerna visar sig vara fördelaktiga, du kan skapa fler av dem, och sedan ändra tryckbelastningen på cylindern för de egenskaper du vill ha, " han sa.

För experimentet, Kirchner använde en mätteknik som använder optisk tomografi, kallad tomografisk partikelbildshastighet, vilket liknar hur en MR- eller CT -skanning fungerar. Bilder tas av en region ur flera perspektiv samtidigt, och från det, du kan rekonstruera en tredimensionell bild. Sedan, mätningar kan ge den fullständiga tredimensionella geometrin för dessa komplexa turbulenta händelser.

Kirchner sa att tekniken inte är något han utvecklat, men Illinois har ett av de enda laboratorierna i världen som någonsin har använt denna mätteknik framgångsrikt i ett supersoniskt flöde.