La turbulence qui se produit dans la région de basse pression derrière une fusée se déplaçant à des vitesses supersoniques est complexe et mal comprise. Dans la première étude expérimentale du genre, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont aidé à combler le fossé des connaissances sur ces écoulements en prouvant l'existence de tourbillons en épingle à cheveux dans un écoulement séparé supersonique.

« Il y a une instabilité dans le flux très en amont, appelée instabilité de Kelvin-Helmholtz, où deux régions de fluide se croisent, avec l'un se déplaçant plus vite que l'autre, et le fluide devient instable et trébuche. Quand il trébuche, il commence à tourner rapidement et le vortex peut prendre une forme différente au fur et à mesure de sa convection, " a déclaré Branden Kirchner, doctorat étudiant au Département de génie aérospatial. "Le vortex commence allongé le long d'une ligne approximativement droite. Ensuite, au fur et à mesure qu'il avance vers l'aval, il évolue et se transforme en cette forme en épingle à cheveux cohérente. Dans le passé, il y a eu des simulations informatiques de ce type d'écoulement, prédisant que ces structures existent. Mais sans mesures expérimentales d'entre eux, vous ne pouvez pas réellement confirmer qu'ils sont là. Cette étude a fermement établi que les tourbillons en épingle à cheveux ne sont pas seulement couramment présents dans cet écoulement, mais ils contribuent également de manière significative à l'énergie turbulente et à de nombreuses caractéristiques importantes qui créent cette basse pression, région à forte traînée."

Les structures de vortex apparaissent à environ Mach 2,5 pendant le segment de croisière d'un missile lorsque les roquettes ne brûlent pas.

Kirchner a déclaré qu'il existe en fait deux types de structures en épingle à cheveux :verticales et inversées. Le premier est étudié depuis les années 50 dans les couches limites turbulentes, mais a reçu beaucoup moins d'attention dans les écoulements de cisaillement libre.

"Dans le flux que nous avons étudié, la couche limite disparaît lorsque l'écoulement se sépare - il n'y a donc que ce fluide de cisaillement qui se déplace dans l'espace libre, " a-t-il dit. " L'une des conséquences particulières de ne pas avoir cette limite de mur lorsque ces structures se forment est que ces structures en épingle à cheveux peuvent maintenant se former à l'envers. Un type d'épingle à cheveux se forme lorsque cette structure initiale se transforme dans une direction, et l'autre quand il se transforme dans la direction opposée. Ils sont géométriquement du même type de structure, mais parce qu'ils sont orientés à l'inverse l'un de l'autre, ce qu'ils font au flux est également en arrière."

Quel effet les tourbillons en épingle à cheveux ont-ils sur l'écoulement ? Kirchner a dit qu'ils ont encore beaucoup à apprendre.

"Nous savons qu'ils sont l'un des, sinon les caractéristiques les plus énergétiques de la turbulence dans cet écoulement. Nous pensons qu'ils ont un effet significatif sur ce qui crée réellement la région de basse pression derrière le cylindre."

Kirchner a déclaré que la turbulence est généralement considérée comme une distribution aléatoire de structures de vortex avec des formes 3D arbitraires. Il pense qu'il existe un ensemble clair de mécanismes physiques qui les conduisent.

"Nous trouvons de l'ordre dans le chaos. Nous n'avons pas trouvé que des turbulences ordonnées organisées, mais que cette turbulence organisée est aussi le plus grand contributeur à l'énergie turbulente dans l'écoulement. Cette connaissance est très utile pour les informaticiens qui tentent de prédire ce flux. Si, dans leurs simulations, ils peuvent démontrer ce même genre de structure, induisant le même type d'événements, et dominer l'énergie, ils savent alors qu'ils sont sur la bonne voie avec de nombreuses caractéristiques de flux importantes dans leurs simulations. Il fournit également une avenue potentielle pour mettre en œuvre une méthode de contrôle de flux pour, par exemple, augmenter la pression derrière le cylindre et réduire la traînée. Vous pourriez perturber le mécanisme qui génère ces structures et empêcher ces structures de se former. Ou, si les structures s'avèrent bénéfiques, vous pouvez en créer plus, puis modifiez la charge de pression sur le cylindre pour toutes les caractéristiques que vous souhaitez avoir, " il a dit.

Pour l'expérimentation, Kirchner a utilisé une technique de mesure qui utilise la tomographie optique, appelée vélocimétrie par image tomographique de particules, ce qui est similaire au fonctionnement d'une IRM ou d'un scanner. Des images sont prises d'une région sous plusieurs angles simultanément, et de là, vous pouvez reconstruire une image en trois dimensions. Puis, les mesures peuvent fournir la géométrie tridimensionnelle complète de ces événements turbulents complexes.

Kirchner a déclaré que la technique n'est pas quelque chose qu'il a développé, mais l'Illinois possède l'un des seuls laboratoires au monde à avoir jamais utilisé cette technique de mesure avec succès dans un écoulement supersonique.