La frontera de la aviación es supersónica. El ejército busca aviones cada vez más rápidos, aviones que pueden volar cinco veces la velocidad del sonido. Quince años después del último vuelo transatlántico del Concorde, Japan Airlines y Virgin Group están invirtiendo en aviones que podrían reducir el tiempo de viaje al extranjero en más de la mitad.

Pero las velocidades supersónicas traen consigo una gran cantidad de desafíos de diseño. Por una cosa, Los patrones de flujo de aire inestables pueden generar ondas de choque que dañan el panel de la aeronave. Los ingenieros deben anteponer la seguridad, pero también quieren mantener las estructuras lo más livianas posible para mantener la eficiencia energética que reduce los costos de combustible.

Los investigadores esperan comprender qué causa estos flujos erráticos modelando estrategias para prevenirlos o eliminarlos. "No fue posible hasta los últimos años simular realmente este tipo de inestabilidad porque carecíamos de la potencia informática, "dice Jonathan Poggie, profesor asociado de la Escuela de Aeronáutica y Astronáutica de la Universidad de Purdue.

Pero con el apoyo del programa INCITE del Departamento de Energía (DOE) (Impacto computacional innovador y novedoso en la teoría y el experimento), Poggie y sus colaboradores del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea han abordado estos sistemas turbulentos. Su asignación de INCITE incluye 200 millones de horas de procesador en la supercomputadora Mira IBM Blue Gene / Q en Argonne Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

A medida que el ala de un avión se mueve a través de la atmósfera, los gases fluyen a su alrededor. Cuando el movimiento del aire es suave alrededor de los contornos del avión, se llama flujo adjunto. El arrastre es bajo Poggie señala, y la nave es fácil de controlar.

Pero los aviones pueden experimentar un flujo separado, particularmente a velocidades supersónicas. Esto sucede cuando el aire que se mueve a lo largo de la superficie se desprende y forma un vórtice, un complicado patrón de flujo tridimensional inestable. Estas fluctuaciones a veces ocurren a baja frecuencia que pueden resonar con los paneles de los aviones. Las velocidades supersónicas pueden generar ondas de choque que golpean repetidamente la estructura de un avión. "Hay un problema muy serio cuando se obtiene este tipo de separación, ya que provoca fluctuaciones de flujo increíbles, "Dice Poggie.

El problema no es exclusivo de los aviones militares más rápidos. El flujo supersónico puede formarse incluso alrededor de un avión comercial, como un 747 volando al 85 por ciento de la velocidad del sonido. "Nos gustaría poder predecir eso, controlarlo y mejorar la situación en los aviones, "Dice Poggie.

Como otros problemas de dinámica de fluidos, La inestabilidad de la separación presenta grandes desafíos computacionales. Los pequeños remolinos turbulentos pueden medir fracciones de milímetro y durar solo milésimas de segundo, mientras que las estructuras de flujo del tamaño de una aeronave, hasta 10 metros, pueden durar un segundo o más. "Para capturar completamente la turbulencia, "Poggie dice, "Necesitamos capturar ambas escalas".

A medida que aumentan las proporciones, la intensidad computacional también crece. El cálculo de la turbulencia en una mesa de laboratorio puede requerir solo una computadora de escritorio. Subir a un 747, Poggie dice:y era imposible hasta hace poco resolver todas las escalas.

Con su asignación INCITE, Poggie y su equipo inicialmente modelaron un caso de separación clásico, utilizando una estructura en forma de rampa con una inclinación moderada y un área que se asemeja a un ala. La simulación ofreció una comparación con los experimentos del túnel de viento que prueban los flujos alrededor del ala de un avión.

Para abordar el problema, El equipo primero tuvo que optimizar algoritmos para manejar de manera eficiente grandes cantidades de información en paralelo en múltiples procesadores. "Estábamos tratando con terabytes de datos en lugar de gigabytes, "Dice Poggie.

Con el nuevo código, El estudiante de posgrado Kevin Porter pudo examinar el flujo a medida que se movía la burbuja de separación. Las simulaciones revelaron patrones que ocurren justo antes de la separación. La inestabilidad de baja frecuencia, con características aproximadamente del mismo tamaño que la aeronave, se relacionó con eventos entrantes relacionados con el flujo. Ahora tenemos una pista de por qué ocurre la inestabilidad de baja frecuencia, Dice Poggie. Ese conocimiento podría permitirles controlar el comportamiento.

Pero se dieron cuenta de que la rampa simplificada también era engañosa, incluso en las pruebas. Un túnel de viento tiene lados Poggie señala, y se forman vórtices en las esquinas. Los investigadores se habían preguntado si esos vórtices eran importantes; parecen serlo.

Tal vórtice puede ralentizar el flujo, incluso a velocidades subsónicas. Cruzar ese umbral crítico altera el movimiento de las ondas sonoras. A velocidades supersónicas, las ondas sonoras fluyen corriente abajo solamente, pero el sonido subsónico puede viajar corriente arriba o corriente abajo. Esa situación también crea perturbaciones e inestabilidad en el flujo.

Los investigadores han desarrollado dos modelos de cómo la turbulencia interactúa con la inestabilidad de la separación, Dice Poggie. En un escenario, el flujo en sí mismo puede ser un oscilador, excitado por las fluctuaciones que crecen. En otro escenario, el flujo amplifica las constantes fluctuaciones entrantes pero no puede oscilar por sí solo. "Resulta que en los últimos años hemos descubierto que hay una combinación de esos dos efectos, "Dice Poggie.

Su trabajo ahora está desentrañando cuando cada situación individual es importante, que será fundamental para controlar estas perturbaciones. Para amplificadores, agregar perturbaciones solo empeoraría la situación, Dice Poggie. Pero con osciladores podrían incorporar actuadores o conjuntos de actuadores para contrarrestar los flujos que provocan la perturbación.

El grupo también planea modelar los flujos de separación alrededor de una forma más compleja:una aleta que imita la cola de un avión, él dice. "Un cálculo de aletas nos dará un flujo contrastante que tendrá un comportamiento sutilmente diferente".