A fronteira da aviação é supersônica. Os militares estão buscando aeronaves cada vez mais rápidas, aviões que podem voar cinco vezes a velocidade do som. Quinze anos após o último voo transatlântico do Concorde, A Japan Airlines e o Virgin Group estão investindo em jatos que podem reduzir em mais da metade o tempo de viagem ao exterior.

Mas as velocidades supersônicas trazem uma série de desafios de design. Por uma coisa, padrões de fluxo de ar instáveis ​​podem gerar ondas de choque que danificam o painel da aeronave. Os engenheiros devem colocar a segurança em primeiro lugar, mas também querem manter as estruturas o mais leves possível para manter a eficiência energética que reduz os custos de combustível.

Os pesquisadores esperam entender o que causa esses fluxos erráticos modelando estratégias para preveni-los ou eliminá-los. "Não era possível até os últimos anos simular realmente esse tipo de instabilidade porque não tínhamos o poder de computação, "diz Jonathan Poggie, professor associado da Escola de Aeronáutica e Astronáutica da Universidade Purdue.

Mas com o apoio do programa INCITE do Departamento de Energia (DOE) (Impacto Computacional Inovador e Novo na Teoria e Experimento), Poggie e seus colaboradores do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea enfrentaram esses sistemas turbulentos. A alocação do INCITE inclui 200 milhões de horas de processador no supercomputador Mira IBM Blue Gene / Q na Argonne Leadership Computing Facility, uma facilidade de usuário do DOE Office of Science.

Conforme a asa de um avião se move pela atmosfera, gases fluem ao seu redor. Quando o movimento do ar é suave em torno dos contornos do avião, é chamado de fluxo anexado. O arrasto é baixo, Notas de Poggie, e a nave é fácil de controlar.

Mas a aeronave pode sofrer fluxo separado, particularmente em velocidades supersônicas. Isso acontece quando o ar que se move ao longo da superfície se desprende e forma um vórtice, um complicado, padrão de fluxo tridimensional instável. Essas flutuações às vezes ocorrem em uma frequência baixa que pode ressoar com os painéis da aeronave. Velocidades supersônicas podem gerar ondas de choque que martelam repetidamente a estrutura de um avião. "Há um problema muito sério quando você consegue esse tipo de separação, pois isso causa incríveis flutuações de fluxo, "Poggie diz.

O problema não é exclusivo dos jatos militares mais rápidos. O fluxo supersônico pode se formar em torno até de um jato comercial, como um 747 voando a 85% da velocidade do som. "Gostaríamos de ser capazes de prever isso, controlá-lo e melhorar a situação nos aviões, "Poggie diz.

Como outros problemas de dinâmica de fluidos, a instabilidade na separação apresenta grandes desafios computacionais. Pequenos redemoinhos turbulentos podem medir frações de um milímetro e durar apenas milésimos de segundo, enquanto estruturas de fluxo do tamanho de aeronaves - até 10 metros - podem durar um segundo ou mais. "Para capturar totalmente a turbulência, "Poggie diz, "precisamos capturar as duas escalas."

Conforme as proporções aumentam, a intensidade computacional também cresce. O cálculo da turbulência em uma bancada de laboratório pode exigir apenas um computador desktop. Mova para um 747, Poggie diz, e era impossível até recentemente resolver todas as escalas.

Com sua cota INCITE, Poggie e sua equipe inicialmente modelaram um caso clássico de separação, usando uma estrutura semelhante a uma rampa com uma inclinação moderada e uma área semelhante a uma aba de asa. A simulação ofereceu uma comparação com experimentos em túnel de vento que testam fluxos ao redor da asa de um avião.

Para resolver o problema, a equipe primeiro teve que otimizar algoritmos para lidar de forma eficiente com grandes quantidades de informações em paralelo em vários processadores. "Estávamos lidando com terabytes de dados em vez de gigabytes, "Poggie diz.

Com o novo código, o aluno de graduação Kevin Porter poderia examinar o fluxo conforme a bolha de separação se movia. As simulações revelaram padrões que ocorrem pouco antes da separação. A instabilidade de baixa frequência - com características quase do mesmo tamanho da aeronave - foi conectada a eventos relacionados ao fluxo de entrada. Agora temos uma pista de por que ocorre instabilidade de baixa frequência, Poggie diz. Esse conhecimento pode permitir que eles controlem o comportamento.

Mas eles perceberam que a rampa simplificada também era enganosa, mesmo em testes. Um túnel de vento tem lados, Notas de Poggie, e vórtices se formam nos cantos. Os pesquisadores se perguntaram se esses vórtices eram importantes; eles parecem ser.

Esse vórtice pode diminuir o fluxo, até mesmo para velocidades subsônicas. Cruzar esse limite crítico altera o movimento da onda sonora. Em velocidades supersônicas, as ondas sonoras fluem apenas a jusante, mas o som subsônico pode viajar rio acima ou rio abaixo. Essa situação também cria distúrbios e instabilidade no fluxo.

Os pesquisadores desenvolveram dois modelos de como a turbulência interage com a instabilidade de separação, Poggie diz. Em um cenário, o próprio fluxo pode ser um oscilador, animado por flutuações que crescem. Em outro cenário, o fluxo amplifica as constantes flutuações de entrada, mas não pode oscilar sozinho. "Acontece que nos últimos anos descobrimos que há uma combinação desses dois efeitos, "Poggie diz.

Seu trabalho agora está revelando quando cada situação individual é importante, o que será crítico para controlar esses distúrbios. Para amplificadores, adicionar perturbações só pioraria a situação, Poggie diz. Mas com osciladores, eles podem incorporar atuadores ou matrizes de atuadores para neutralizar os fluxos que estimulam a perturbação.

O grupo planeja também modelar os fluxos de separação em torno de uma forma mais complexa:uma barbatana que imita a cauda de um avião, ele diz. "Um cálculo de aleta nos dará um fluxo contrastante que terá um comportamento sutilmente diferente."