En utilisant les données collectées dans une soufflerie NASA Langley Mach 6, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont reproduit les conditions d'écoulement hypersonique d'un écoulement à rampe de compression au moyen de la simulation numérique directe. La simulation a fourni une abondance de données supplémentaires, qui peut être utilisé pour mieux comprendre les phénomènes qui se produisent autour des véhicules circulant à des vitesses hypersoniques.

« Les données d'expériences sont quelque peu limitées, par exemple à partir de sondes de pression à quelques endroits sur un objet de test. Lorsque nous exécutons une simulation numérique, nous acquérons des informations telles que la pression, Température, densité, et la vitesse du fluide - sur l'ensemble du champ d'écoulement, y compris les surfaces du véhicule. Cela peut aider à expliquer certaines des choses que les expérimentateurs ont trouvées mais n'ont pas pu tout à fait expliquer en raison d'un manque de données, " a déclaré Fabian Dettenrieder, doctorant au Département de génie aérospatial de l'Illinois.

L'étude a simulé une surface de contrôle au bout d'une aile utilisée pour manœuvrer un avion. Dans ce cas, il simulait une plaque plate incluant le bord d'attaque, avec une configuration de rampe de compression de 35 degrés qui avait déjà été testée expérimentalement dans la soufflerie hypersonique de Langley.

Dettenrieder a expliqué que les écoulements hypersoniques sont complexes. La haute énergie de l'écoulement entraîne des charges de pression et de chaleur substantielles qui, en plus des chocs, créent des problèmes difficiles à la fois expérimentalement et numériquement. La configuration d'écoulement considérée dans cette étude implique un angle de rampe supercritique résultant en une bulle de séparation qui est intrinsèquement instable. La capture précise de ce phénomène est complexe car très sensible à son environnement, tels que le bruit acoustique et les turbulences. Par ailleurs, plus les panneaux à l'extérieur d'un véhicule sont fins - généralement motivés par des optimisations de poids - plus ils sont susceptibles de commencer à s'écarter d'un comportement parfaitement rigide, ce qui entraîne une interaction avec l'écoulement et peut créer une complexité supplémentaire du système fluide-structure.

Et, en plus des contributeurs aux turbulences en milieu naturel, la soufflerie elle-même provoque des perturbations acoustiques qui peuvent déclencher des mouvements fluides instables qui conduisent à des turbulences.

"Nous pensions qu'un écart trouvé entre les données expérimentales et une simulation 2D précédente était dû au manque de rayonnement acoustique généré par les parois de la soufflerie. Dans cette simulation 3D, nous avons reproduit l'expérience en soufflerie dans des conditions à la fois calmes et bruyantes, bruyantes en introduisant des perturbations de flux libre à la limite du champ lointain du domaine de calcul.

« L'impact des perturbations acoustiques a déjà été étudié, mais pas dans le cadre de cette configuration de rampe hypersonique, " a-t-il dit. " Nous avons pu prescrire avec précision les perturbations acoustiques du flux libre. " Il a dit que ce qu'ils ont observé ajoute à la compréhension fondamentale des phénomènes d'écoulement instable observés dans les expériences.

La simulation a été exécutée sur Frontera, un système de superordinateur financé par la National Science Foundation au Texas Advanced Computing Center de l'Université du Texas à Austin. Le conseiller pédagogique de Dettenrieder est le professeur Blue Waters Daniel Bodony, qui a reçu une allocation de 5 millions d'heures de nœuds sur Frontera pour étudier les interactions fluide-thermique-structure.

Dettenrieder a déclaré que la simulation continue de fonctionner sur Frontera et n'est pas encore terminée. "C'est très laborieux et chronophage, " dit-il. "Je le vérifie plusieurs fois par jour pour m'assurer qu'il fonctionne correctement. Il continue d'acquérir plus de données qui apporteront plus d'informations pour nous aider à comprendre les complexités du flux hypersonique. »