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    L'expérience mesure la vitesse en 3D

    Un schéma CAO d'installation de couche de mélange compressible. Crédit :Département de génie aérospatial de l'Université de l'Illinois

    De nombreux processus scientifiques d'aujourd'hui sont simulés à l'aide de modèles mathématiques informatisés. Mais pour qu'un modèle prédise avec précision le comportement du flux d'air à grande vitesse, par exemple, les scientifiques ont besoin de données réelles supplémentaires. Fournir des données de validation, en utilisant des méthodes modernes, a été un facteur de motivation clé pour une récente étude expérimentale menée par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

    "Nous avons créé une expérience physique qui pourrait mesurer le champ d'écoulement que d'autres essaient de simuler avec des modèles informatiques pour prédire la turbulence. Cela valide leurs modèles et leur donne des données supplémentaires pour comparer leurs résultats, notamment en termes de vitesse, " a déclaré Kevin Kim, doctorant au Département de génie aérospatial.

    Kim a déclaré que la soufflerie qui a été construite et la conception des expériences étaient basées sur une géométrie simple et une physique fondamentale qui leur ont permis de manipuler deux flux d'air, l'un à partir d'un réservoir d'air et l'autre à partir de l'air ambiant de la pièce. Il existe une barrière physique entre les deux flux avant qu'ils n'atteignent la section d'essai de la soufflerie, où ils commencent à se mélanger. Des images sont prises de particules de graines dans le flux.

    "Il y a deux buses qui viennent après le réservoir d'air. Nous avons modifié la géométrie de l'une des buses pour changer le nombre de Mach global, ensuite étudié les différentes couches de mélange où se rencontrent les deux écoulements, " dit Kim. " En fonction des différentes vitesses des deux flux entrants, vous commencez à voir différentes caractéristiques du mélange."

    Kévin Kim, Étudiant au doctorat à l'Université de l'Illinois au département d'ingénierie aérospatiale d'Urbana-Champaign. Crédit:Illinois au département d'ingénierie aérospatiale d'Urbana-Champaign

    La vitesse du flux libre primaire a commencé à Mach 0,5 subsonique, et augmenté à 2,5 par incréments de 0,5. Le flux libre secondaire était tout subsonique, en dessous de Mach 1.

    Kim a dit que dans la plupart des expériences précédentes de ce champ d'écoulement, la vitesse n'a généralement été mesurée que dans deux directions :dans la direction du flux libre et perpendiculairement à celui-ci. Ce qui a rendu cette expérience unique, c'est que les mesures de vitesse ont également été prises dans le sens de la portée pour tous les différents nombres de Mach.

    "Faible vitesse, cas incompressibles, se caractérisent en grande partie par un mélange bidimensionnel, vous pouvez donc obtenir beaucoup d'informations importantes en regardant simplement les composants X et Y, " dit Kim. " Parce que nous avons augmenté le nombre de Mach, la compressibilité augmente dans la couche de cisaillement. Par conséquent, nous voyons un mélange à plus grande échelle dans le sens de la portée que nous n'avions pas vu lorsqu'il était incompressible. Un objectif clé du travail était de s'assurer que nous obtenions cette troisième composante de la vitesse afin de comprendre comment elle se rapporte à la turbulence globale avec l'évolution de la compressibilité. Et aussi pour capturer les conditions de flux entrant, les couches limites."

    Couche de cisaillement libre planaire à développement spatial dans le cadre de référence du laboratoire. Crédit :Université de l'Illinois à Urbana-Champaign

    Selon Kim, seules deux autres expériences de couche de mélange ont été réalisées et ont obtenu les trois composantes de la vitesse. "Nos résultats correspondent aux leurs, qui valide nos propres expériences, mais nous sommes allés plus loin en mesurant le débit pour une large gamme de nombres de Mach."

    Il a déclaré qu'une application directe dans le monde réel de ce travail consiste à améliorer la combustion du scramjet, dans lequel l'air supersonique entre par la chambre de combustion et se mélange avec le carburant.

    "Scientifiquement, la principale application est le fait que nous ayons ces résultats pour un champ d'écoulement très fondamental que les simulateurs peuvent désormais utiliser pour valider leurs modèles. En outre, toutes nos données sont accessibles au public via une page Wiki de l'Université de l'Illinois, " a déclaré Kim. " J'espère que beaucoup de gens utilisent ces informations dans leur modélisation et qu'elles peuvent finalement aider à améliorer la précision et à faire progresser les méthodes dans les simulations d'écoulement à grande vitesse. "

    L'étude, "Étude expérimentale tridimensionnelle des effets de la compressibilité sur les couches de cisaillement libre turbulent, " écrit par Kevin U. Kim, Gregory S. Elliott, et J. Craig Dutton est publié dans le Journal de l'AIAA .

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