Utilizando datos recopilados en un túnel de viento Langley Mach 6 de la NASA, Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign replicaron las condiciones de flujo hipersónico de un flujo de rampa de compresión mediante simulación numérica directa. La simulación arrojó una gran cantidad de datos adicionales, que se puede utilizar para comprender mejor los fenómenos que ocurren alrededor de los vehículos que viajan a velocidades hipersónicas.

"Los datos de los experimentos son algo limitados, por ejemplo, tomados de sondas de presión en algunas ubicaciones de un objeto de prueba. Cuando ejecutamos una simulación numérica, adquirimos información, como presión, temperatura, densidad, y velocidad del fluido:alrededor de todo el campo de flujo, incluidas las superficies del vehículo. Esto puede ayudar a explicar algunas de las cosas que los experimentales han descubierto pero que no pudieron explicar debido a la falta de datos. "dijo Fabian Dettenrieder, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de Illinois.

El estudio simuló una superficie de control al final de un ala utilizada para maniobrar una aeronave. En este caso, simuló una placa plana que incluía el borde de ataque, con una configuración de rampa de compresión de 35 grados que previamente había sido probada experimentalmente en el túnel de viento hipersónico de Langley.

Dettenrieder explicó que los flujos hipersónicos son complejos. La alta energía del flujo da como resultado cargas sustanciales de presión y calor que, además de los choques, crean problemas desafiantes tanto experimental como numéricamente. La configuración de flujo considerada en este estudio implica un ángulo de rampa supercrítico que da como resultado una burbuja de separación que es inherentemente inestable. Capturar con precisión este fenómeno es complejo ya que es altamente susceptible a su entorno, como ruido acústico y turbulencia. Es más, Cuanto más delgados son los paneles en el exterior de un vehículo, generalmente motivados por optimizaciones de peso, más probabilidades hay de que comiencen a desviarse de un comportamiento perfectamente rígido, lo que da como resultado una interacción con el flujo y puede crear una complejidad adicional del sistema fluido-estructural.

Y, además de los factores que contribuyen a la turbulencia en un entorno natural, el propio túnel de viento provoca perturbaciones acústicas que pueden desencadenar movimientos de fluidos inestables que provocan turbulencias.

"Creíamos que una discrepancia encontrada entre los datos experimentales y una simulación 2-D anterior se debía a la falta de radiación acústica generada por las paredes del túnel de viento. En esta simulación 3-D, replicamos el experimento del túnel de viento en condiciones silenciosas y ruidosas, ruidosas al introducir perturbaciones de corrientes libres en el límite del campo lejano del dominio computacional.

"El impacto de la perturbación acústica se ha estudiado antes, pero no en el contexto de esta configuración de rampa hipersónica, ", dijo." Pudimos prescribir con precisión perturbaciones acústicas de corrientes libres ". Dijo que lo que observaron se suma a la comprensión fundamental de los fenómenos de flujo inestable observados en los experimentos.

La simulación se ejecutó en Frontera, un sistema de supercomputadoras financiado por la Fundación Nacional de Ciencias en el Centro de Computación Avanzada de Texas en la Universidad de Texas en Austin. El asesor de la facultad de Dettenrieder es el profesor de Blue Waters, Daniel Bodony, quienes recibieron una asignación de 5 millones de horas de nodo en Frontera para estudiar interacciones fluido-estructura térmica.

Dettenrieder dijo que la simulación continúa ejecutándose en Frontera y aún no está terminada. "Es muy laborioso y requiere mucho tiempo, ", dijo." Lo reviso un par de veces al día para asegurarme de que está funcionando correctamente. Continúa adquiriendo más datos que contribuirán con más información para ayudarnos a comprender las complejidades del flujo hipersónico ".