En étudiant les réactions chimiques qui se produisent dans l'écoulement des gaz autour d'un véhicule se déplaçant à des vitesses hypersoniques, des chercheurs de l'Université de l'Illinois ont utilisé une méthode moins c'est plus pour mieux comprendre le rôle des réactions chimiques dans la modification des écoulements instables qui se produisent dans l'écoulement hypersonique autour d'une forme à double coin.

"Nous avons réduit la pression par un facteur de huit, ce que les expérimentateurs ne pouvaient pas faire, " a déclaré Deborah Levin, chercheur au Département de génie aérospatial de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. "Dans une vraie chambre, ils ont essayé de réduire la pression mais n'ont pas pu la réduire autant parce que les appareils sont conçus pour fonctionner dans une certaine région. Ils ne pouvaient pas le faire fonctionner si la pression était trop basse. Lorsque nous avons réduit la pression dans la simulation, nous avons constaté que les instabilités dans le flux se sont calmées. Nous avions encore beaucoup de ce type de structure tourbillonnaire – des bulles de séparation et des tourbillons – ils étaient toujours là. Mais les données étaient plus traitables, plus compréhensibles en termes de variation dans le temps."

Levin a mené la recherche avec elle, alors, doctorant Ozgur Tumuklu, et Vassilis Theofilis de l'Université de Liverpool.

L'approche Direct Simulation Monte Carlo (DSMC), une approche physique haute fidélité a été utilisée pour simuler l'écoulement hypersonique. Mais, comme toute méthode, il a des avantages et des inconvénients. Un inconvénient est qu'il crée le flux en rassemblant de grandes quantités de données de collision, produire des rames et rames de données de particules, et avec elle, bruit statistique.

Les chercheurs ont introduit les résultats du DSMC dans un programme de décomposition orthogonale approprié à la fenêtre, un exemple de ce que l'on appelle un modèle d'ordre réduit pour rendre les analyses du comportement temporel des résultats DSMC beaucoup plus réalisables.

"C'est une méthode très intelligente qui est plus maniable et peut réduire l'effort de calcul, " dit Levin. " Avant d'avoir cette technique, nous sélectionnerions des données tridimensionnelles de pression, densité, et la température, qui varient tout au long de l'écoulement sur la forme extérieure du véhicule. Nous nous asseyions à différents endroits dans le flux et collections des données à chaque pas de temps. Cela finit par être une chasse au trésor - vous regardez ici, tu regardes là, partout où vous pensez qu'il y a une partie sensible du flux où vous pourriez voir des changements.

"La principale différence dans l'utilisation de WPOD est qu'il organise toutes ces données spatiales, qui évolue en fonction du temps, et cela vous donne une idée de ce qu'il pense être les modes de désintégration, " dit Levine.

Outre l'application de cette nouvelle méthode d'interprétation des données, l'équipe de chercheurs a acquis de nouvelles connaissances sur les réactions chimiques qui se produisent dans un écoulement hypersonique. L'étude a porté sur trois types de compositions de gaz :l'azote moléculaire, air non réactif constitué d'azote moléculaire et d'oxygène, et la réaction de l'air avec la dissociation de l'oxygène et les réactions d'échange d'oxyde nitrique.

"Nous avons appris les températures vibratoires, " Levin a dit. "Ce sont généralement très difficiles à calculer. Nous avons appris à pouvoir prédire les espèces chimiques, comme l'oxyde nitrique - un composé en phase gazeuse, qui ne sont présents qu'en très petites quantités. Il est produit dans des flux hypersoniques dans une particule sur mille. Ce n'est pas un composant majeur, comme 79 pour cent d'azote, mais c'est très important et nous voulions pouvoir le prévoir. En utilisant cette technique, nous avons pu le faire beaucoup plus facilement. Grâce à cela, nous avons pu comprendre quel était l'effet de la chimie sur le flux qui a produit l'oxyde nitrique, et comment cela a affecté les différents modes de stabilité."

Tumuklu a créé de courtes vidéos en enregistrant toutes les données dans des cadres, puis en l'accélérant pour montrer comment le flux évolue dans le temps. Bien que difficile à voir avec un œil non averti, Levin a déclaré que la vidéo montre la différence dans la façon dont les chocs interagissent pour le boîtier d'azote qui n'a pas de réactions chimiques et le boîtier d'air réactif de 79 pour cent d'azote et de 21 pour cent d'oxygène, qui est la composition de l'air dans l'atmosphère terrestre.

"Il y a aussi une caractéristique appelée le 'triple point' représenté par un point rouge sur la vidéo. Si vous regardez de très près, aux deux vidéos, le point triple sur le boîtier d'azote ne bouge jamais; il reste à un endroit pendant que tout bouge autour de lui.

Mais dans le cas de l'air réactif, le point triple bouge. Il oscille d'avant en arrière avec tout le reste en mouvement autour de lui, " Levin a dit. "Cela nous a dit quelles étaient les réactions chimiques efficaces. Ils déversent de la chaleur ou de l'énergie supplémentaire dans le flux, ce qui change l'instabilité, le comportement instable.

Levin a déclaré que les concepteurs d'avions sur la conception pour compenser le fait de ne pas connaître les besoins exacts, par exemple, l'épaisseur minimale nécessaire pour un bouclier thermique.

"Finalement, à travers cette recherche fondamentale, nous aurons des réponses, quelques règles de base pour les gens, qui sont au niveau de la conception, " dit-elle. " Ils n'auront pas à faire des calculs à l'échelle de la péta, mais ils sauront que s'ils ont certaines formes à certaines positions de l'angle d'attaque, ils doivent se soucier des instabilités lors de la conception d'engins spatiaux pour une rentrée en toute sécurité dans l'atmosphère terrestre ou dans d'autres atmosphères. Ils peuvent retirer un volet ou repositionner un volet pour une surface de contrôle afin de minimiser ou d'éviter les instabilités."

L'étude, "Analyse modale avec décomposition orthogonale appropriée des flux séparés hypersoniques sur un double coin, " a été dirigé par Deborah Levin et Ozgur Tumuklu de l'Université de l'Illinois, et Vassilis Theofilis de l'Université de Liverpool. Il apparaît dans le journal, Liquides d'examen physique .