Para salir de la órbita inferior de la Tierra, los vehículos hipersónicos deben alcanzar velocidades superiores a Mach 5. A estas velocidades hipersónicas, las partículas de aire y los gases que fluyen alrededor del vehículo e interactúan con las superficies generan calor y crean ondas de choque que perturban el flujo.equilibrio. Una nueva investigación en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign creó un modelo para simular y comprender mejor las transiciones de flujo.
"A velocidades hipersónicas, el flujo se mueve a altos números de Mach, pero también hay alas o aletas en el vehículo. En cada una de esas uniones, puede tener una recirculación muy fuerte, lo que conduce a la inestabilidad. Es difícil predecir cómomal la inestabilidad puede llegar a ser antes de que el flujo ya no sea suave y se vuelva turbulento ", dijo Deborah Levin, profesora del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Facultad de Ingeniería de la U de I.
Ella y su estudiante de doctorado Ozgur Tumuklu, junto con el profesor Vassilis Theofilis de la Universidad de Liverpool, llevaron a cabo una investigación que aporta una comprensión revolucionaria al campo del flujo hipersónico.
Levin dijo que estudia el flujo a un nivel fundamental para comprender el flujo, las fuerzas que puede crear el flujo y el tiempo que el flujo permanece estable en términos de microsegundos a milisegundos, más rápido que un abrir y cerrar de ojos.
"Desde los aspectos muy fundamentales del flujo, cuando la velocidad es tan alta, los gases alrededor de las superficies se calientan mucho", explicó Levin. "El calor de fricción comienza a causar reacciones químicas. El gas ya no queda 79 por ciento de nitrógenoy 21 por ciento de oxígeno como el que tenemos en nuestra atmósfera.
"Cuando ocurren todos estos efectos, se llaman efectos de no equilibrio. Es un fenómeno que ocurre cuando el aire se vuelve más delgado a medida que te mueves más rápido", dijo Levin. "Acoplando todo eso, el no equilibrio yla estabilidad: eso es lo realmente novedoso de esta investigación y no se ha hecho antes. El resultado de esta investigación es un modelo y la capacidad de usar esta técnica en el futuro para diseñar formas e inducir reacciones químicas que serán o noinducir estabilidad o apagarla "
Levin dijo que parte del trabajo original en este campo comenzó con experimentos en la U de I con la profesora Joanna Austin, antes de irse a un puesto en California Technical. Una parte importante de su trabajo en Illinois fue diseñar una nueva instalación que pudiera mediralgunas de las características del flujo
"Ella tiene un tubo de expansión de hipervelocidad, una clase de técnicas de medición que pueden usarse para inducir un flujo sobre un modelo de doble cuña del tamaño de mi mano", dijo Levin. "El Dr. Austin crea un flujo hipersónico sobretodo el modelo. Se usó una gran cantidad de energía para lograrlo, pero se puede usar para casos de baja densidad aire más delgado. Pero la cuña doble puede ser una forma difícil de entender lo que está sucediendo. Realizamos numerosas simulaciones pero no pudimosel flujo para alcanzar un resultado estable o estable "
Levin dijo que colaborar con Theofilis ayudó a avanzar el trabajo, particularmente con respecto a un nuevo enfoque y hacia la forma del modelo.
"Me dijo: 'Sé que esta condición [sic doble cuña] es difícil de entender desde el punto de vista de la estabilidad, pero si comienza a imprimir a partir de sus cálculos de flujo la temperatura aquí, aquí y aquí, ustedVeré que la temperatura nunca se estabilizará. Verás remolinos y vórtices que van y vienen. "Cuando un experto te dice eso, prestas atención", dijo Levin.
Una cosa que hicieron antes de abandonar la cuña doble fue "reducir artificialmente las condiciones en el tubo de expansión de hipervelocidad en un factor de aproximadamente un octavo", dijo Levin. "Todavía vimos muchas características como los choquesy recirculación, pero el flujo se calmó y pudimos simular un estado estable "
Los investigadores dejaron a un lado la cuña doble por el momento y pasaron a un diseño de doble cono como modelo. Levin dijo: "Tiene simetría axial, como una parte superior, tiene simetría en todos los ángulos, lo que lo hace mucho más fácil".computar."
La investigación proporcionó una nueva comprensión sobre los puntos de transición en el flujo de suave a turbulento, que en última instancia puede informar un diseño de vehículo más seguro.
Deborah Levin y Ozgur Tumuklu llevaron a cabo el estudio "Sobre la inestabilidad del choque: interacciones de la capa límite laminar con flujos hipersónicos sobre un doble cono". Física de fluidos .
El proyecto fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
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Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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