Novas simulações 3D descobrem distúrbios ocultos em velocidades hipersônicas
O vôo hipersônico, com velocidades excedendo o Mach 5, ultrapassa os limites da engenharia. Mas, à medida que os veículos deslizam através da atmosfera nessas velocidades incríveis, ocorrem interações complexas entre os gases e a superfície do veículo.
Camadas de limite, ondas de choque e padrões de fluxo imprevisíveis criam imensos desafios.
Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, liderados pela professora Deborah Levin e Ph.D. O aluno Irmak Taylan Karpuzcu, realizou simulações avançadas.
Usando supercomputadores poderosos e software de ponta, eles conduziram as primeiras simulações totalmente 3D de fluxo hipersônico em torno de modelos em forma de cone.
Essa abordagem 3D revelou novos distúrbios inesperados, rompendo o entendimento padrão dos padrões de fluxo concêntricos.
“Temos esses dados a comparar, mas, tendo a imagem completa agora em 3D, é diferente. Normalmente, você esperaria que o fluxo ao redor do cone seja fitas concêntricas, mas notamos quebras no fluxo dentro de camadas de choque nas formas de cone único e duplo”, disse Karpuzcu.
Uso do supercomputador
A forma do cone, embora aparentemente básica, serve como um modelo simplificado crucial para uma ampla gama de veículos hipersônicos.
Até agora, os experimentos eram limitados a observações 2D devido a restrições tecnológicas.
A equipe conseguiu capturar a complexidade 3D completa, alavancando o alto poder de processamento do supercomputador Frontera no Texas Advanced Computing Center e Specialized Interno Software.
Em Mach 16, eles observaram quebras no fluxo dentro das camadas de choque, perto da ponta do cone, onde as moléculas de ar se tornam mais viscosas. Curiosamente, esses intervalos estavam ausentes em Mach 6, destacando o papel crucial da velocidade nessas instabilidades.
“À medida que você aumenta o número Mach, o choque se aproxima da superfície e promove essas instabilidades. Seria muito caro executar a simulação a cada velocidade, mas o executamos no Mach 6 e não vimos o intervalo no fluxo”, disse Karpuzcu.
Voos hipersônicos mais seguros
O aspecto mais desafiador da pesquisa foi determinar a causa da interrupção do fluxo.
Eles descobriram que uma análise de estabilidade linear usando a teoria do triplo convés, uma abordagem matemática complexa, poderia ser aplicada a essa situação. Para confirmar sua hipótese, eles desenvolveram um novo código de computador para simular o fluxo novamente e a análise de teste.
“Configuramos um segundo programa de computador para garantir que tudo funcione e esteja dentro dos limites para nossas condições de fluxo. Quando fizemos isso, vimos a quebra em dois grandes pedaços em periodicidade de 180 graus ao redor do cone”, acrescentou Karpuzcu.
Além disso, a equipe também usou o método de simulação direta de Monte Carlo, que rastreia bilhões de moléculas de ar individuais e simula suas colisões.
“O método de Monte Carlo faz tentativas aleatórias e repetitivas. É mais extenso que os métodos clássicos de dinâmica de fluidos computacionais e estamos rastreando bilhões de partículas. Isso garante que existem partículas suficientes no campo de fluxo e colisões sejam capturadas corretamente”, concluiu o autor no The Author no autor no autor no Comunicado de imprensa.
Esta pesquisa lança uma nova luz sobre o comportamento intrincado dos fluxos hipersônicos, revelando instabilidades 3D anteriormente vistas. Ele abre o caminho para projetos de veículos aprimorados e viagens hipersônicas mais seguras e eficientes.
