Usando dados coletados em um túnel de vento Langley Mach 6 da NASA, pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign replicaram as condições de fluxo hipersônico de um fluxo de rampa de compressão por meio de simulação numérica direta. A simulação rendeu uma abundância de dados adicionais, que pode ser usado para entender melhor os fenômenos que ocorrem em torno de veículos que viajam em velocidades hipersônicas.

"Os dados dos experimentos são um tanto limitados - por exemplo, tirados de sondas de pressão em alguns locais em um objeto de teste. Quando executamos uma simulação numérica, adquirimos informações, como pressão, temperatura, densidade, e velocidade do fluido - sobre todo o campo de fluxo, incluindo as superfícies do veículo. Isso pode ajudar a explicar algumas das coisas que os experimentalistas descobriram, mas não conseguiram explicar por causa da falta de dados, "disse Fabian Dettenrieder, estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Aeroespacial de Illinois.

O estudo simulou uma superfície de controle no final de uma asa usada para manobrar uma aeronave. Nesse caso, ele simulou uma placa plana incluindo a borda de ataque, com uma configuração de rampa de compressão de 35 graus que havia sido previamente testada experimentalmente no túnel de vento hipersônico de Langley.

Dettenrieder explicou que os fluxos hipersônicos são complexos. A alta energia do fluxo resulta em cargas substanciais de pressão e calor que, além de choques, criam problemas desafiadores tanto experimentalmente quanto numericamente. A configuração de fluxo considerada neste estudo envolve um ângulo de rampa supercrítico, resultando em uma bolha de separação que é inerentemente instável. Capturar com precisão este fenômeno é complexo, pois é altamente suscetível ao seu ambiente, como ruído acústico e turbulência. Além disso, quanto mais finos os painéis do exterior de um veículo são - normalmente motivados por otimizações de peso - maior a probabilidade de eles começarem a se desviar de um comportamento perfeitamente rígido, o que resulta em uma interação com o fluxo e pode criar complexidade adicional do sistema fluido-estrutural.

E, além dos contribuintes para a turbulência em um ambiente natural, o próprio túnel de vento causa distúrbios acústicos que podem desencadear movimentos instáveis ​​do fluido que levam à turbulência.

"Acreditamos que uma discrepância encontrada entre os dados experimentais e uma simulação 2-D anterior se devia à falta de radiação acústica gerada pelas paredes do túnel de vento. Nesta simulação 3-D, replicamos o experimento do túnel de vento em condições silenciosas e barulhentas - barulhentas, introduzindo distúrbios de fluxo livre no limite do campo distante do domínio computacional.

"O impacto do distúrbio acústico já foi estudado antes, mas não no contexto desta configuração de rampa hipersônica, ", disse ele." Fomos capazes de prescrever com precisão perturbações de fluxo livre acústico. "Ele disse que o que eles observaram contribui para a compreensão fundamental dos fenômenos de fluxo instável observados nos experimentos.

A simulação foi executada em Frontera, um sistema de supercomputador financiado pela National Science Foundation no Texas Advanced Computing Center na Universidade do Texas em Austin. O conselheiro do corpo docente de Dettenrieder é o professor da Blue Waters, Daniel Bodony, que recebeu uma alocação de 5 milhões de horas de nó no Frontera para estudar as interações fluido-térmica-estrutura.

Dettenrieder disse que a simulação continua rodando no Frontera e ainda não terminou. "É muito trabalhoso e demorado, "disse ele." Eu verifico algumas vezes por dia para ter certeza de que está funcionando corretamente. Ele está continuamente adquirindo mais dados que contribuirão com mais informações para nos ajudar a compreender as complexidades do fluxo hipersônico. "