Mientras estudia 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 comprender mejor el papel de las reacciones químicas en la modificación de los flujos inestables que 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 experimentales no pudieron hacer, "dijo Deborah Levin, investigador 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 podrían operarlo si la presión era demasiado baja. Cuando redujimos la presión en la simulación, encontramos que las inestabilidades en el flujo se calmaron. Todavía teníamos mucho del tipo de estructura de vórtice, burbujas de separación y remolinos, todavía estaban allí. Pero los datos fueron más manejables, más comprensible en términos de su variación en el tiempo ".

Levin realizó la investigación junto con ella, luego, estudiante de doctorado Ozgur Tumuklu, y Vassilis Theofilis de la Universidad de Liverpool.

El enfoque de simulación directa de Monte Carlo (DSMC), Se utilizó un enfoque físico de alta fidelidad para simular el flujo hipersónico. Pero, como cualquier método, tiene pros y contras. Una desventaja es que crea el flujo mediante la recopilación de grandes cantidades de datos de colisiones, producir resmas y resmas de datos de partículas, y con eso, ruido estadístico.

Los investigadores introdujeron los resultados del DSMC en un programa de descomposición ortogonal adecuado de la ventana, un ejemplo de lo que se conoce como modelo de orden reducido para hacer mucho más factibles los análisis del comportamiento temporal de los resultados del DSMC.

"Es un método muy inteligente que es más manejable y puede reducir el esfuerzo computacional, "Dijo Levin." Antes de que tuviéramos esta técnica, seleccionaríamos datos tridimensionales de presión, densidad, y temperatura, que varían a lo largo de todo el flujo sobre la forma externa del vehículo. Nos sentaríamos en diferentes ubicaciones en el flujo y recopilaríamos datos en cada paso de tiempo. Termina siendo una búsqueda del tesoro, mira aquí, miras ahí, donde sea que crea que hay una parte sensible del flujo donde podría ver algunos cambios.

"La principal diferencia en el uso de WPOD es que organiza todos esos datos espaciales, que está cambiando en función del tiempo, y te da una idea de lo que cree que son los modos de desintegración, "Dijo Levin.

Además de la aplicación de este nuevo método para interpretar datos, el equipo de investigadores obtuvo nuevos conocimientos sobre las reacciones químicas que ocurren en el flujo hipersónico. El estudio analizó tres tipos de composiciones de gas:nitrógeno molecular, aire que no reacciona compuesto por nitrógeno molecular y oxígeno, y reacción del aire con la disociación del oxígeno y las reacciones de intercambio de óxido nítrico.

"Aprendimos sobre las temperaturas vibratorias, "Dijo Levin." Suelen ser muy difíciles de calcular. Aprendimos sobre la capacidad de predecir especies químicas, como el óxido nítrico, un compuesto en fase gaseosa, que solo están presentes en cantidades muy pequeñas. Se produce en flujos hipersónicos en una de cada mil partículas. No es un componente importante como 79 por ciento de nitrógeno, pero es muy importante y queríamos poder predecirlo. Usando esta técnica, pudimos hacerlo mucho más fácilmente. Por eso pudimos entender cuál era el efecto de la química en el flujo que producía el óxido nítrico, y cómo eso afectó a los diferentes modos de estabilidad ".

Tumuklu creó videos cortos al guardar todos los datos en cuadros, luego, acelerándolo 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 choques para el caso del nitrógeno que no tiene reacciones químicas y el conducto de aire que reacciona con un 79 por ciento de nitrógeno y un 21 por ciento de oxígeno. que es la composición del aire en la atmósfera terrestre.

"También hay una función llamada 'punto triple' representada por un punto rojo en el video. Si miras con atención, en los dos videos, el punto triple de la caja de nitrógeno nunca se mueve; permanece en un lugar mientras todo se mueve a su alrededor.

Pero en el caso del aire reaccionante, el punto triple se mueve. Oscila hacia adelante y hacia atrás con todo lo demás todavía moviéndose a su alrededor, "Dijo Levin." Esto nos dijo cuáles eran las reacciones químicas efectivas. Están vertiendo calor o energía extra en el flujo, que cambia la inestabilidad, el comportamiento inestable.

Levin dijo que los diseñadores de aviones sobre el diseño para compensar el desconocimiento de las necesidades exactas, por ejemplo, el espesor mínimo necesario para un escudo térmico.

"Por último, 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 de petaescala, pero sabrán que si tienen ciertas formas en ciertas posiciones del ángulo de ataque, necesitan preocuparse por las inestabilidades al diseñar naves espaciales para un reingreso seguro a la atmósfera de la Tierra u otras atmósferas. Pueden sacar una solapa o reposicionar una solapa como superficie de control para minimizar o prevenir inestabilidades ".

El estudio, "Análisis modal con descomposición ortogonal adecuada de flujos separados hipersónicos sobre una cuña doble, "fue dirigido por Deborah Levin y Ozgur Tumuklu de la Universidad de Illinois, y Vassilis Theofilis de la Universidad de Liverpool. Aparece en la revista, Fluidos de revisión física .