Ao estudar as reações químicas que ocorrem no fluxo de gases ao redor de um veículo em movimento em velocidades hipersônicas, pesquisadores da Universidade de Illinois usaram um método menos é mais para obter maior compreensão do papel das reações químicas na modificação de fluxos instáveis ​​que ocorrem no fluxo hipersônico em torno de uma forma de cunha dupla.

"Reduzimos a pressão por um fator de oito, o que é algo que os experimentalistas não podiam fazer, "disse Deborah Levin, pesquisador do Departamento de Engenharia Aeroespacial da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. "Em uma câmara real, eles tentaram reduzir a pressão, mas não conseguiram reduzir tanto porque os aparelhos são projetados para operar dentro de uma determinada região. Eles não poderiam operá-lo se a pressão fosse muito baixa. Quando reduzimos a pressão na simulação, descobrimos que as instabilidades no fluxo se acalmaram. Ainda tínhamos muito do tipo de estrutura vortical - bolhas de separação e redemoinhos - eles ainda estavam lá. Mas os dados eram mais tratáveis, mais compreensível em termos de variação de tempo. "

Levin conduziu a pesquisa junto com ela, então, estudante de doutorado Ozgur Tumuklu, e Vassilis Theofilis da Universidade de Liverpool.

A abordagem de simulação direta Monte Carlo (DSMC), uma abordagem física de alta fidelidade foi usada para simular o fluxo hipersônico. Mas, como qualquer método, tem prós e contras. Um contra é que ele cria o fluxo reunindo grandes quantidades de dados de colisão, produzindo resmas e resmas de dados de partículas, e com isso, ruído estatístico.

Os pesquisadores alimentaram os resultados do DSMC em um programa de decomposição ortogonal adequado da janela, um exemplo do que é conhecido como modelo de ordem reduzida para tornar as análises do comportamento temporal dos resultados do DSMC muito mais viáveis.

"É um método muito inteligente que é mais tratável e pode reduzir o esforço computacional, "Levin disse." Antes de termos essa técnica, selecionaríamos dados tridimensionais de pressão, densidade, e temperatura, que variam ao longo de todo o fluxo sobre a forma externa do veículo. Sentávamos em locais diferentes no fluxo e coletávamos dados a cada etapa do tempo. Acaba sendo uma caça ao tesouro - veja aqui, você olha lá, onde quer que você pense, há uma parte sensível do fluxo onde você pode ver algumas mudanças.

"A principal diferença em usar WPOD é que ele organiza todos os dados espaciais, que está mudando em função do tempo, e dá a você uma ideia de quais são os modos de decaimento, "Levin disse.

Além da aplicação deste novo método para interpretar dados, a equipe de pesquisadores ganhou novos conhecimentos sobre as reações químicas que acontecem no fluxo hipersônico. O estudo analisou três tipos de composições de gases - nitrogênio molecular, ar não reagente consistindo de nitrogênio molecular e oxigênio, e a reação do ar com a dissociação do oxigênio e as reações de troca do óxido nítrico.

"Aprendemos sobre temperaturas vibracionais, - disse Levin. - Geralmente são muito difíceis de calcular. Aprendemos sobre a capacidade de prever espécies químicas, como o óxido nítrico - um composto na fase gasosa, que estão presentes apenas em quantidades muito pequenas. É produzido em fluxos hipersônicos em uma em cada mil partículas. Não é um componente importante, como 79 por cento de nitrogênio, mas é muito importante e queríamos poder prevê-lo. Usando esta técnica, fomos capazes de fazer isso com muito mais facilidade. Por causa disso, fomos capazes de entender qual era o efeito da química no fluxo que produzia o óxido nítrico, e como isso afetou os diferentes modos de estabilidade. "

Tumuklu criou vídeos curtos salvando todos os dados em quadros, em seguida, acelerando-o para mostrar como o fluxo evolui ao longo do tempo. Embora seja difícil de ver com um olho destreinado, Levin disse que o vídeo mostra a diferença na forma como os choques interagem para o caso de nitrogênio que não tem reações químicas e o caso de ar reagindo de 79 por cento de nitrogênio e 21 por cento de oxigênio, que é a composição do ar na atmosfera da Terra.

"Há também um recurso chamado 'ponto triplo' representado por um ponto vermelho no vídeo. Se você olhar bem de perto, nos dois vídeos, o ponto triplo na caixa de nitrogênio nunca se move; ele permanece em um local enquanto tudo se move sobre ele.

Mas no caso do ar reagente, o ponto triplo se move. Ele oscila para frente e para trás com todo o resto ainda se movendo ao seu redor, "Levin disse." Isso nos disse quais eram as reações químicas eficazes. Eles estão despejando calor ou energia extra no fluxo, o que muda a instabilidade, o comportamento instável.

Levin disse que os designers de aeronaves superam o design para compensar por não saberem as necessidades exatas - por exemplo, a espessura mínima necessária para um escudo térmico.

"Em última análise, através desta pesquisa básica, vamos obter algumas respostas, algumas regras básicas para as pessoas, que estão no nível de design, "ela disse." Eles não terão que fazer cálculos petascale, mas eles saberão que se tiverem certas formas em certas posições do ângulo de ataque, eles precisam se preocupar com as instabilidades ao projetar espaçonaves para uma reentrada segura na atmosfera terrestre ou em outras atmosferas. Eles podem retirar uma aba ou reposicionar uma aba para uma superfície de controle para minimizar ou prevenir instabilidades. "

O estudo, "Análise modal com decomposição ortogonal adequada de fluxos separados hipersônicos em uma cunha dupla, "foi conduzido por Deborah Levin e Ozgur Tumuklu da Universidade de Illinois, e Vassilis Theofilis da Universidade de Liverpool. Aparece no diário, Fluidos de revisão física .