La turbulencia que se produce en la región de baja presión detrás de un cohete que viaja a velocidades supersónicas es compleja y no se comprende bien. En el primer estudio experimental de este tipo, Los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ayudaron a cerrar la brecha de conocimiento sobre estos flujos al demostrar la existencia de vórtices en forma de horquilla en un flujo supersónico separado.

"Hay una inestabilidad en el flujo río arriba, llamada inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, donde dos regiones de fluido pasan una a la otra, con uno moviéndose más rápido que el otro, y el fluido se vuelve inestable y se dispara. Cuando se dispara comienza a girar rápidamente y el vórtice puede transformarse en una forma diferente a medida que se convence, "dijo Branden Kirchner, Doctor. estudiante del Departamento de Ingeniería Aeroespacial. "El vórtice comienza alargado a lo largo de una línea aproximadamente recta. Luego, a medida que avanza río abajo, evoluciona y se transforma en esta forma coherente de horquilla. En el pasado ha habido simulaciones por computadora de este tipo de flujo, prediciendo que estas estructuras existen. Pero sin mediciones experimentales de ellos, en realidad no se puede confirmar que estén allí. Este estudio estableció firmemente que los vórtices en horquilla no solo están presentes comúnmente en este flujo, pero también contribuyen significativamente a la energía turbulenta y muchas de las características importantes que crean esa baja presión, región de alta resistencia ".

Las estructuras de vórtice aparecen a aproximadamente Mach 2,5 durante el segmento de crucero de un misil cuando los cohetes no están ardiendo.

Kirchner dijo que en realidad hay dos tipos de estructuras en forma de horquilla que ocurren:verticales e invertidas. El primero se ha estudiado desde los años 50 en capas limítrofes turbulentas, pero ha recibido mucha menos atención en los flujos de cizallamiento libres.

"En el flujo que estudiamos, la capa límite desaparece cuando el flujo se separa, por lo que solo hay este fluido de cizallamiento moviéndose a través del espacio libre, ", dijo." Una de las consecuencias especiales de no tener ese límite de muro cuando se forman estas estructuras es que estas estructuras en forma de horquilla ahora pueden formarse al revés. Un tipo de horquilla se forma cuando esa estructura inicial se transforma en una dirección, y el otro cuando se transforma en la dirección opuesta. Son geométricamente el mismo tipo de estructura, pero debido a que están orientados inversamente entre sí, lo que le hacen al flujo también es al revés ".

¿Qué efecto tienen los vórtices en horquilla sobre el flujo? Kirchner dijo que aún les queda mucho por aprender.

"Sabemos que son uno de, si no las características más enérgicas de la turbulencia en este flujo. Creemos que tienen un efecto significativo sobre lo que realmente crea la región de baja presión detrás del cilindro ".

Kirchner dijo que la turbulencia se ve comúnmente como una distribución aleatoria de estructuras de vórtice con formas tridimensionales arbitrarias. Él cree que hay un conjunto claro de mecanismos físicos que los impulsan.

"Estamos encontrando orden en el caos. Hemos encontrado no solo turbulencias ordenadas organizadas, pero que esta turbulencia organizada es también el mayor contribuyente a la energía turbulenta en el flujo. Este conocimiento es muy útil para los computacionalistas que intentan predecir este flujo. Si, en sus simulaciones, pueden demostrar este mismo tipo de estructura, induciendo el mismo tipo de eventos, y dominando la energía, entonces saben que están en el camino correcto con muchas características de flujo importantes en sus simulaciones. También proporciona una vía potencial para implementar un método de control de flujo para, por ejemplo, aumente la presión detrás del cilindro y reduzca la resistencia. Podría interrumpir el mecanismo que genera estas estructuras y evitar que se formen estas estructuras. O, si las estructuras resultan beneficiosas, puedes crear más de ellos, y luego modifique la carga de presión en el cilindro para las características que desee tener, " él dijo.

Para el experimento, Kirchner utilizó una técnica de medición que utiliza tomografía óptica, llamada velocimetría de imagen de partículas tomográficas, que es similar a cómo funciona una resonancia magnética o una tomografía computarizada. Se toman imágenes de una región desde varias perspectivas simultáneamente, y de eso, puedes reconstruir una imagen tridimensional. Luego, Las mediciones pueden proporcionar la geometría tridimensional completa de estos complejos eventos turbulentos.

Kirchner dijo que la técnica no es algo que desarrolló, pero Illinois tiene uno de los únicos laboratorios en el mundo que alguna vez ha utilizado esta técnica de medición con éxito en un flujo supersónico.