A turbulência que ocorre na região de baixa pressão atrás de um foguete viajando em velocidades supersônicas é complexa e não é bem compreendida. No primeiro estudo experimental desse tipo, pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign ajudaram a fechar a lacuna de conhecimento para esses fluxos, provando a existência de vórtices em um fluxo supersônico separado.

"Há uma instabilidade no fluxo rio acima, chamada de instabilidade Kelvin-Helmholtz, onde duas regiões de fluido passam uma pela outra, com um se movendo mais rápido do que o outro, e o fluido se torna instável e tropeça. Quando ele tropeça, ele começa a girar rapidamente e o vórtice pode se transformar em uma forma diferente conforme convecta, "disse Branden Kirchner, Ph.D. estudante do Departamento de Engenharia Aeroespacial. "O vórtice começa alongado ao longo de uma linha aproximadamente reta. Então, conforme se move mais a jusante, ele evolui e se transforma nessa forma de grampo de cabelo coerente. No passado, havia simulações de computador desse tipo de fluxo, prever que essas estruturas existem. Mas sem medições experimentais deles, você não pode realmente confirmar se eles estão lá. Este estudo estabeleceu firmemente que vórtices em gancho não estão apenas comumente presentes neste fluxo, mas também contribuem significativamente para a energia turbulenta e muitos dos recursos importantes que criam essa baixa pressão, região de alta resistência ".

As estruturas de vórtice aparecem em cerca de Mach 2,5 durante o segmento de cruzeiro de um míssil, quando os foguetes não estão queimando.

Kirchner disse que existem na verdade dois tipos de estruturas em forma de grampo que ocorrem - vertical e invertida. O primeiro tem sido estudado desde os anos 50 em camadas limites turbulentas, mas tem recebido muito menos atenção em fluxos de cisalhamento livre.

"No fluxo que estudamos, a camada limite desaparece quando o fluxo se separa - então, há apenas este fluido de cisalhamento movendo-se através do espaço livre, "ele disse." Uma das consequências especiais de não ter esse limite de parede quando essas estruturas se formam é que essas estruturas em grampo agora podem se formar de cabeça para baixo. Um tipo de grampo de cabelo se forma quando a estrutura inicial se transforma em uma direção, e o outro quando se transforma na direção oposta. Eles são geometricamente o mesmo tipo de estrutura, mas porque eles são orientados inversamente um ao outro, o que eles fazem com o fluxo também é para trás. "

Que efeito os vórtices em gancho têm sobre o fluxo? Kirchner disse que ainda precisam aprender muito.

"Nós sabemos que eles são um dos, senão as características mais energéticas da turbulência neste fluxo. Acreditamos que eles têm um efeito significativo sobre o que está realmente criando a região de baixa pressão atrás do cilindro. "

Kirchner disse que a turbulência é comumente vista como uma distribuição aleatória de estruturas de vórtice com formas 3-D arbitrárias. Ele acredita que há um conjunto claro de mecanismos físicos que os impulsionam.

"Estamos encontrando ordem no caos. Encontramos não apenas turbulência organizada e ordenada, mas que essa turbulência organizada também é o maior contribuinte para a energia turbulenta no fluxo. Esse conhecimento é muito útil para computacionalistas que tentam prever esse fluxo. Se, em suas simulações, eles podem demonstrar esse mesmo tipo de estrutura, induzindo o mesmo tipo de eventos, e dominando a energia, então eles sabem que estão no caminho certo com muitos recursos de fluxo importantes em suas simulações. Ele também fornece uma via potencial para implementar um método de controle de fluxo para, por exemplo, aumente a pressão atrás do cilindro e reduza o arrasto. Você pode interromper o mecanismo que gera essas estruturas e impedir que essas estruturas se formem. Ou, se as estruturas se mostrarem benéficas, você pode criar mais deles, e, em seguida, modifique a carga de pressão no cilindro para quaisquer características que você deseja ter, " ele disse.

Para o experimento, Kirchner usou uma técnica de medição que usa tomografia óptica, chamada velocimetria de imagem de partícula tomográfica, que é semelhante ao funcionamento de uma ressonância magnética ou tomografia computadorizada. As imagens são tiradas de uma região de várias perspectivas simultaneamente, e a partir disso, você pode reconstruir uma imagem tridimensional. Então, as medições podem fornecer a geometria tridimensional completa desses eventos turbulentos complexos.

Kirchner disse que a técnica não é algo que ele desenvolveu, mas Illinois tem um dos únicos laboratórios do mundo que já usou essa técnica de medição com sucesso em um fluxo supersônico.