La frontière de l'aviation est supersonique. L'armée cherche des avions toujours plus rapides, des avions capables de voler cinq fois plus vite que le son. Quinze ans après le dernier vol transatlantique du Concorde, Japan Airlines et Virgin Group investissent dans des jets qui pourraient réduire de plus de moitié le temps de voyage à l'étranger.

Mais les vitesses supersoniques apportent une multitude de défis de conception. Pour une chose, les modèles de flux d'air instables peuvent générer des ondes de choc endommageant les panneaux de l'avion. Les ingénieurs doivent mettre la sécurité avant tout, mais ils veulent aussi garder les structures aussi légères que possible pour maintenir une efficacité énergétique qui réduit les coûts de carburant.

Les chercheurs espèrent comprendre les causes de ces flux erratiques en modélisant des stratégies pour les prévenir ou les éliminer. "Il n'était pas possible jusqu'à ces dernières années de vraiment simuler ce genre d'instabilité car nous manquions de puissance de calcul, " dit Jonathan Poggie, professeur agrégé à l'École d'aéronautique et d'astronautique de l'Université Purdue.

Mais avec le soutien du programme INCITE du Department of Energy (DOE) (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), Poggie et ses collaborateurs du Laboratoire de recherche de l'Air Force se sont attaqués à ces systèmes turbulents. Leur allocation INCITE comprend 200 millions d'heures de processeur sur le supercalculateur Mira IBM Blue Gene/Q à Argonne Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Lorsqu'une aile d'avion se déplace dans l'atmosphère, les gaz circulent autour. Lorsque le mouvement de l'air est fluide autour des contours de l'avion, c'est ce qu'on appelle le flux attaché. La traînée est faible, Notes de Poggie, et le métier est facile à contrôler.

Mais les avions peuvent subir des flux séparés, en particulier à des vitesses supersoniques. Cela se produit lorsque l'air se déplaçant le long de la surface se détache et forme un vortex, un compliqué, modèle d'écoulement tridimensionnel instable. Ces fluctuations se produisent parfois à une fréquence basse qui peut résonner avec les panneaux des avions. Les vitesses supersoniques peuvent générer des ondes de choc qui martèlent à plusieurs reprises la structure d'un avion. « Il y a un problème très grave lorsque vous obtenez ce type de séparation en ce sens qu'il provoque des fluctuations de débit incroyables, " dit Poggie.

Le problème n'est pas propre aux jets militaires les plus rapides. Un écoulement supersonique peut se former autour même d'un jet commercial, comme un 747 volant à 85 % de la vitesse du son. "Nous aimerions pouvoir prédire cela, le contrôler et améliorer la situation dans les avions, " dit Poggie.

Comme d'autres problèmes de dynamique des fluides, l'instabilité de séparation présente de grands défis de calcul. De minuscules tourbillons turbulents peuvent mesurer des fractions de millimètre et ne durer que des millièmes de seconde, tandis que des structures d'écoulement de la taille d'un avion - jusqu'à 10 mètres - peuvent durer une seconde ou plus. "Pour capturer pleinement les turbulences, " Poggie dit, "nous devons capturer les deux échelles."

Au fur et à mesure que les proportions augmentent, l'intensité de calcul augmente également. Le calcul de la turbulence sur une paillasse peut nécessiter uniquement un ordinateur de bureau. Passez à un 747, Poggie dit, et il était impossible jusqu'à récemment de résoudre toutes les échelles.

Avec leur lotissement INCITE, Poggie et son équipe ont initialement modélisé un cas de séparation classique, en utilisant une structure en forme de rampe avec une inclinaison modérée et une zone ressemblant à un volet d'aile. La simulation a offert une comparaison avec des expériences en soufflerie qui testent les écoulements autour d'une aile d'avion.

Pour s'attaquer au problème, l'équipe a d'abord dû optimiser les algorithmes pour gérer efficacement de grandes quantités d'informations en parallèle sur plusieurs processeurs. "Nous avions affaire à des téraoctets de données plutôt qu'à des gigaoctets, " dit Poggie.

Avec le nouveau code, L'étudiant diplômé Kevin Porter a pu examiner le flux pendant que la bulle de séparation se déplaçait. Les simulations ont révélé des modèles qui se produisent juste avant la séparation. L'instabilité à basse fréquence - avec des caractéristiques à peu près de la même taille que l'avion - était liée à des événements liés au flux entrant. Nous avons maintenant une idée de la raison pour laquelle l'instabilité de basse fréquence se produit, dit Poggie. Cette connaissance pourrait leur permettre de contrôler le comportement.

Mais ils se sont rendu compte que la rampe simplifiée était également trompeuse, même dans les tests. Une soufflerie a des côtés, Notes de Poggie, et des tourbillons se forment dans les coins. Les chercheurs s'étaient demandé si ces tourbillons étaient importants; ils semblent l'être.

Un tel vortex peut ralentir le flux, même à des vitesses subsoniques. Le franchissement de ce seuil critique modifie le mouvement des ondes sonores. A des vitesses supersoniques, les ondes sonores ne circulent qu'en aval, mais le son subsonique peut voyager en amont ou en aval. Cette situation crée également des perturbations et une instabilité dans le flux.

Les chercheurs ont développé deux modèles de la façon dont la turbulence interagit avec l'instabilité de séparation, dit Poggie. Dans un scénario, le flux lui-même peut être un oscillateur, excité par les fluctuations qui s'amplifient. Dans un autre scénario, le flux amplifie les fluctuations entrantes constantes mais ne peut pas osciller tout seul. "Il s'avère qu'au cours des dernières années, nous avons constaté qu'il y a une combinaison de ces deux effets, " dit Poggie.

Leur travail est maintenant taquiner quand chaque situation individuelle est importante, qui sera critique pour contrôler ces perturbations. Pour les amplificateurs, ajouter des perturbations ne ferait qu'empirer la situation, dit Poggie. Mais avec des oscillateurs, ils pourraient incorporer des actionneurs ou des réseaux d'actionneurs pour contrer les flux qui excitent la perturbation.

Le groupe envisage également de modéliser les flux de séparation autour d'une forme plus complexe :une aileron qui imite la queue d'un avion, il dit. "Un calcul d'aileron nous donnera un flux contrasté qui aura un comportement subtilement différent."