«Мы снизили давление в восемь раз, чего не смогли сделать экспериментаторы», – сказала Дебора Левин, научный сотрудник отдела аэрокосмической техники Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «В реальной камере они пытались снизить давление, но не смогли его настолько сильно, потому что аппараты предназначены для работы в определенном регионе. Они не могли управлять им, если давление было слишком низким. Когда мы уменьшили давление при моделировании, мы обнаружили, что нестабильности в потоке утихли. У нас все еще было много вихревой структуры – разделительные пузыри и водовороты – они все еще были там.
Но данные были более податливыми, более понятными с точки зрения их изменения во времени."
Левин проводил исследование вместе с ней, докторантом Озгуром Тумуклу и Василисом Теофилисом из Ливерпульского университета.
Подход прямого моделирования Монте-Карло (DSMC), физический подход высокой точности был использован для моделирования гиперзвукового потока. Но, как и у любого метода, у него есть плюсы и минусы.
Один из минусов заключается в том, что он создает поток, собирая большие объемы данных о столкновениях, создавая пачки и пачки данных о частицах, а вместе с ними и статистический шум.
Исследователи загрузили результаты DSMC в программу правильной ортогональной декомпозиции окна, пример так называемой модели сокращенного порядка, чтобы сделать анализ временного поведения результатов DSMC намного более осуществимым.
«Это очень умный метод, который легче поддается обработке и может снизить вычислительные затраты», – сказал Левин. «До того, как у нас появилась эта техника, мы выбирали трехмерные данные о давлении, плотности и температуре, которые меняются по всему потоку по внешней форме транспортного средства. Мы сидели в разных местах в потоке и собирали данные на каждом временном шаге.Это заканчивается охотой за сокровищами – вы смотрите сюда, вы смотрите туда, где бы вы ни думали, есть чувствительная часть потока, где вы можете увидеть некоторые изменения.
«Основное отличие в использовании WPOD состоит в том, что он организует все пространственные данные, которые меняются в зависимости от времени, и дает вам некоторое представление о том, что, по его мнению, является режимами распада», – сказал Левин.
Помимо применения этого нового метода интерпретации данных, группа исследователей получила новые знания о химических реакциях, происходящих в гиперзвуковом потоке. В исследовании рассматривались три типа газовых составов – молекулярный азот, нереагирующий воздух, состоящий из молекулярного азота и кислорода, и реагирующий воздух с диссоциацией кислорода и реакции обмена оксида азота.
«Мы узнали о колебательных температурах», – сказал Левин. "Обычно их очень сложно вычислить. Мы узнали о способности предсказывать химические вещества, такие как оксид азота – соединение в газовой фазе, которые присутствуют только в очень небольших количествах. В гиперзвуковых потоках образуется одна из тысячи частиц. Это не главный компонент, например 79 процентов азота, но он очень важен, и мы хотели иметь возможность его предсказать.
Используя эту технику, мы смогли сделать это намного проще. Благодаря этому мы смогли понять, как влияет химический состав потока, производящего оксид азота, и как это влияет на различные режимы стабильности."
Тумуклу создавал короткие видеоролики, сохраняя все данные в кадрах, а затем ускоряя их, чтобы показать, как поток развивается с течением времени.
Хотя это трудно увидеть неопытным глазом, Левин сказал, что видео показывает разницу во взаимодействии ударов для случая азота, в котором нет химических реакций, и реагирующего воздушного судна, состоящего из 79 процентов азота и 21 процента кислорода, который является составом воздуха. в атмосфере Земли.
"Также есть функция под названием" тройная точка ", представленная красной точкой на видео.
Если вы посмотрите очень внимательно на два видео, тройная точка на корпусе с азотом никогда не сдвинется; он остается в одном месте, пока все движется вокруг него.
Но в случае с реагирующим воздухом тройная точка движется.
Он колеблется взад и вперед, а все остальное все еще движется вокруг него ", – сказал Левин. "Это подсказало нам, каковы были эффективные химические реакции. Они сбрасывают в поток лишнее тепло или энергию, что изменяет нестабильность, неустойчивое поведение.
Левин сказал, что авиаконструкторы превыше дизайна, чтобы компенсировать незнание точных требований – например, минимальной толщины, необходимой для теплозащитного экрана.
«В конечном итоге, с помощью этого фундаментального исследования мы получим некоторые ответы, некоторые практические правила для людей, которые находятся на уровне проектирования», – сказала она. «Им не придется выполнять петаскейльные вычисления, но они будут знать, что если они имеют определенные формы в определенных положениях до угла атаки, им нужно беспокоиться о нестабильности при проектировании космического корабля для безопасного входа в атмосферу Земли или другие атмосферы. Они могут вынуть заслонку или переместить заслонку на контрольную поверхность, чтобы свести к минимуму или предотвратить нестабильность."