Mientras estudiaban las reacciones químicas que ocurren en el flujo de gases alrededor de un vehículo que se mueve a velocidades hipersónicas, los investigadores de la Universidad de Illinois utilizaron un método de menos es más para obtener una mejor comprensión del papel de las reacciones químicas en la modificación de flujos inestablesque ocurren en el flujo hipersónico alrededor de una forma de doble cuña.
"Redujimos la presión en un factor de ocho, que es algo que los experimentadores no podían hacer", dijo Deborah Levin, investigadora del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ". En una cámara real,intentaron reducir la presión, pero no pudieron reducirla tanto porque los aparatos están diseñados para funcionar dentro de una determinada región. No pudieron hacerlo si la presión era demasiado baja. Cuando redujimos la presión en la simulación, descubrimosque las inestabilidades en el flujo se calmaron. Todavía teníamos mucho del tipo de estructura vortical burbujas de separación y remolinos todavía estaban allí. Pero los datos eran más manejables, más comprensibles en términos de su variación de tiempo ".
Levin realizó la investigación junto con ella, la estudiante de doctorado Ozgur Tumuklu y Vassilis Theofilis de la Universidad de Liverpool.
El enfoque de simulación directa Monte Carlo DSMC, se utilizó un enfoque físico de alta fidelidad para simular el flujo hipersónico. Pero, como cualquier método, tiene ventajas y desventajas. Una desventaja es que crea el flujo al reunir grandes cantidadesde datos de colisión, produciendo resmas y resmas de datos de partículas, y con ello, ruido estadístico.
Los investigadores introdujeron los resultados del DSMC en un programa de descomposición ortogonal apropiado de la ventana, un ejemplo de lo que se conoce como un modelo de orden reducido para hacer que los análisis del comportamiento temporal de los resultados del DSMC sean mucho más factibles.
"Es un método muy inteligente que es más manejable y puede reducir el esfuerzo computacional", dijo Levin. "Antes de tener esta técnica, seleccionaríamos datos tridimensionales de presión, densidad y temperatura, que varían a lo largo del tiempoflujo completo sobre la forma externa del vehículo. Nos sentamos en diferentes lugares en el flujo y recolectamos datos en cada paso. Resulta ser una búsqueda del tesoro: miras aquí, miras allí, donde creas que hayuna parte sensible del flujo donde puede ver algunos cambios.
"La principal diferencia en el uso de WPOD es que organiza todos esos datos espaciales, que están cambiando en función del tiempo, y le da una idea de lo que cree que son los modos de descomposición", dijo Levin.
Además de la aplicación de este nuevo método para interpretar datos, el equipo de investigadores adquirió nuevos conocimientos sobre las reacciones químicas que ocurren en el flujo hipersónico. El estudio analizó tres tipos de composiciones de gases: nitrógeno molecular, aire no reactivoque consiste en nitrógeno molecular y oxígeno, y que reacciona el aire con disociación de oxígeno y las reacciones de intercambio de óxido nítrico.
"Aprendimos acerca de las temperaturas de vibración", dijo Levin. "Por lo general, son muy difíciles de calcular. Aprendimos sobre la capacidad de predecir especies químicas, como el óxido nítrico, un compuesto en la fase gaseosa, que solo están presentes en muypequeñas cantidades. Se produce en flujos hipersónicos en una de cada mil partículas. No es un componente importante, como el 79 por ciento de nitrógeno, pero es muy importante y queríamos poder predecirlo. Utilizando esta técnica, pudimos haceres mucho más fácil. Por eso pudimos entender cuál era el efecto de la química en el flujo que producía el óxido nítrico y cómo eso afectaba a los diferentes modos de estabilidad ".
Tumuklu creó videos cortos guardando todos los datos en cuadros, luego acelerándolos para mostrar cómo evoluciona el flujo con el tiempo. Aunque es difícil de ver con un ojo inexperto, Levin dijo que el video muestra la diferencia en la forma en que interactúan los choquespara el caso del nitrógeno que no tiene reacciones químicas y la carcasa de reacción del 79 por ciento de nitrógeno y el 21 por ciento de oxígeno, que es la composición del aire en la atmósfera de la Tierra.
"También hay una característica llamada 'punto triple' representada por un punto rojo en el video. Si miras muy de cerca, en los dos videos, el punto triple en la caja de nitrógeno nunca se mueve; permanece en una ubicación mientrastodo se mueve al respecto.
Pero en el caso del aire que reacciona, el punto triple se mueve. Oscila de un lado a otro con todo lo demás todavía moviéndose a su alrededor ", dijo Levin." Esto nos dijo cuáles fueron las reacciones químicas efectivas. Están arrojando calor adicionalo energía en el flujo, lo que cambia la inestabilidad, el comportamiento inestable.
Levin dijo que los diseñadores de aeronaves sobre diseño para compensar el desconocimiento de las necesidades exactas, por ejemplo, el espesor mínimo necesario para un escudo térmico.
"En última instancia, a través de esta investigación básica, obtendremos algunas respuestas, algunas reglas generales para las personas que están en el nivel de diseño", dijo. "No tendrán que ejecutar cálculos petascale, pero sabránque si tienen ciertas formas en ciertas posiciones respecto al ángulo de ataque, deben preocuparse por las inestabilidades al diseñar naves espaciales para un reingreso seguro a la atmósfera de la Tierra u otras atmósferas. Pueden sacar una aleta o colocar una aleta para una superficie de control para minimizaro prevenir inestabilidades "
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Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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