Med hjälp av data som samlats in i en NASA Langley Mach 6 vindtunnel, forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign replikerade de hypersoniska flödesförhållandena för ett kompressionsrampflöde med hjälp av direkt numerisk simulering. Simuleringen gav ett överflöd av ytterligare data, som kan användas för att bättre förstå de fenomen som uppstår kring fordon som färdas i hypersonisk hastighet.

"Data från experiment är något begränsade - till exempel tagna från trycksonder på några platser på ett testobjekt. När vi kör en numerisk simulering, vi skaffar information – som tryck, temperatur, densitet, och vätskehastighet - ungefär hela flödesfältet inklusive fordonsytorna. Detta kan hjälpa till att förklara några av de saker som experimentalister har hittat men inte riktigt kunde förklara på grund av brist på data, sade Fabian Dettenrieder, en doktorand vid Institutionen för flygteknik i Illinois.

Studien simulerade en kontrollyta i änden av en vinge som används för att manövrera ett flygplan. I detta fall, den simulerade en platt platta inklusive framkanten, med en 35-graders kompressionsrampkonfiguration som tidigare hade testats experimentellt i Langleys hypersoniska vindtunnel.

Dettenrieder förklarade att hypersoniska flöden är komplexa. Den höga energin i flödet resulterar i betydande tryck- och värmebelastningar som – förutom stötar – skapar utmanande problem både experimentellt och numeriskt. Flödeskonfigurationen som beaktas i denna studie involverar en superkritisk rampvinkel som resulterar i en separationsbubbla som i sig är ostadig. Att exakt fånga detta fenomen är komplext eftersom det är mycket mottagligt för sin omgivning, såsom akustiskt buller och turbulens. Vidare, ju tunnare panelerna på utsidan av ett fordon är – vanligtvis motiverade av viktoptimeringar – desto mer sannolikt är det att de börjar avvika från ett perfekt styvt beteende, vilket resulterar i en interaktion med flödet och kan skapa ytterligare komplexitet i det vätskestrukturella systemet.

Och, utöver bidragsgivarna till turbulens i en naturlig miljö, själva vindtunneln orsakar akustiska störningar som kan utlösa ostadiga vätskerörelser som leder till turbulens.

"Vi trodde att en diskrepans som hittades mellan experimentdata och en tidigare 2D-simulering berodde på bristen på akustisk strålning som genererades av vindtunnelns väggar. I denna 3D-simulering, vi replikerade vindtunnelexperimentet under både tysta och bullriga förhållanden-bullriga genom att införa störningsstörningar vid fjärrfältgränsen för beräkningsdomänen.

"Inverkan av akustisk störning har studerats tidigare, men inte i samband med denna hypersoniska rampkonfiguration, " sa han. "Vi kunde noggrant föreskriva akustiska friströmsstörningar." Han sa att det de observerade bidrar till den grundläggande förståelsen av de ostadiga flödesfenomenen som observerades i experimenten.

Simuleringen kördes på Frontera, ett National Science Foundation-finansierat superdatorsystem vid Texas Advanced Computing Center vid University of Texas i Austin. Dettenrieders fakultetsrådgivare är Blue Waters professor Daniel Bodony, som fick en tilldelning på 5 miljoner nodtimmar på Frontera för att studera vätske-termisk-struktur-interaktioner.

Dettenrieder sa att simuleringen fortsätter att köras på Frontera och att den inte är klar än. "Det är väldigt arbetskrävande och tidskrävande, " sa han. "Jag kollar den ett par gånger om dagen för att se till att den fungerar som den ska. Det fortsätter att skaffa mer data som kommer att bidra med mer information för att hjälpa oss att förstå komplexiteten i hypersoniskt flöde."