Simulation von hypersonischen Strömungsübergängen von sanft zu turbulent

Um aus der unteren Erdumlaufbahn auszubrechen, müssen hypersonische Fahrzeuge Geschwindigkeiten von mehr als Mach 5 erreichen. Bei diesen hypersonischen Geschwindigkeiten erzeugen die Luftpartikel und Gase, die um das Fahrzeug herumströmen und mit den Oberflächen interagieren, Wärme und erzeugen Stoßwellen, die das Gleichgewicht der Strömung stören. Neue Forschungsarbeiten an der University of Illinois at Urbana-Champaign haben ein Modell zur Simulation und zum besseren Verständnis von Strömungsübergängen entwickelt.

„Bei hypersonischen Geschwindigkeiten bewegt sich die Strömung mit hohen Machzahlen, aber es gibt auch Flügel oder Klappen am Fahrzeug. An jedem dieser Punkte kann es zu einer sehr starken Rezirkulation kommen, was zu Unsicherheiten führt. Es ist schwer vorherzusagen, wie schlecht die Unsicherheit werden kann, bevor die Strömung nicht mehr glatt ist und turbulent wird“, sagte Deborah Levin, Professorin am Department of Aerospace Engineering am College of Engineering an der U of I.

Sie und ihr Doktorand Ozgur Tumuklu führten zusammen mit Professor Vassilis Theofilis von der University of Liverpool Forschungen durch, die ein revolutionäres Verständnis für den Bereich des hypersonischen Flusses liefern.

Levin sagte, dass sie die Strömung auf einer sehr grundlegenden Ebene studiert, um die Strömung, die Kräfte, die die Strömung erzeugen kann, und die Dauer der Zeit, in der die Strömung stabil bleibt, in Form von Mikrosekunden bis Millisekunden – schneller als der Blinzeln eines Auges zu verstehen.

„Von den sehr grundlegenden Aspekten der Strömung, wenn die Geschwindigkeit so hoch ist, werden die Gase um die Oberflächen herum sehr heiß“, erklärte Levin. „Die Reibungswärme beginnt, chemische Reaktionen hervorzurufen. Das Gas bleibt nicht mehr 79 Prozent Stickstoff und 21 Prozent Sauerstoff, wie wir es in unserer Atmosphäre haben.

„Wenn all diese Effekte auftreten, nennt man sie Nicht-Gleichgewichtseffekte. Es ist ein Phänomen, das auftritt, wenn die Luft dünner wird, wenn Sie sich schneller bewegen“, sagte Levin. „Die Kopplung von all dem – dem Nicht-Gleichgewicht und der Stabilität – ist das, was an dieser Forschung wirklich neu ist und noch nie zuvor gemacht wurde. Das Ergebnis dieser Forschung ist ein Modell und die Fähigkeit, diese Technik in Zukunft zu nutzen, um Formen zu entwerfen und chemische Reaktionen zu induzieren, die Stabilität induzieren oder nicht, oder sie zu löschen.“

Levin sagte, dass einige der ursprünglichen Arbeiten in diesem Bereich mit Experimenten an der U of I mit Professor Joanna Austin begannen, bevor sie für eine Position bei California Technical gingen. Ein großer Teil ihrer Arbeit in Illinois war die Entwicklung einer neuen Anlage, die einige der Merkmale des Durchflusses messen konnte.

„Sie hat ein Hypervelocity Expansionsrohr – eine Klasse von Messtechniken, die verwendet werden können, um eine Strömung über ein Doppelkeilmodell von der Größe meiner Hand zu erzeugen“, sagte Levin. „Dr. Austin erzeugt einen hypersonischen Fluss über das gesamte Modell. Es verbrauchte eine enorme Menge an Energie, um dies zu erreichen, aber es kann für Fälle mit niedriger Dichte (dünnere Luft) verwendet werden. Aber der doppelte Keil kann eine schwierige Form haben, um zu verstehen, was vor sich geht. Wir führten zahlreiche Simulationen durch, konnten aber den Fluss nicht dazu bringen, ein stabiles oder stabiles Ergebnis zu erzielen.“

Levin sagte, die Zusammenarbeit mit Theofilis habe geholfen, die Arbeit voranzutreiben, insbesondere im Hinblick auf einen neuen Ansatz und die Form des Modells.

„Er sagte zu mir: „Ich weiß, dass dieser Zustand[sic double wedge] aus Stabilitätssicht schwer zu verstehen ist, aber wenn Sie aus Ihren Strömungsberechnungen die Temperatur hier, hier und hier ausdrucken, werden Sie sehen, dass sich die Temperatur nie stabilisieren wird. Du wirst Wirbel und Wirbel sehen, die kommen und gehen. Wenn ein Experte Ihnen das sagt, achten Sie darauf“, sagte Levin.

Eine Sache, die sie taten, bevor sie den doppelten Keil verließen, war, „die Bedingungen im Hypervelocity Expansionsrohr künstlich um einen Faktor von ungefähr einem Achtel zu reduzieren“, sagte Levin. „Wir sahen immer noch viele Merkmale wie die Stöße und die Rezirkulation, aber der Durchfluss beruhigte sich und wir konnten einen stationären Zustand simulieren.“

Die Forscher legten den Doppelkeil vorerst beiseite und wechselten als Modell zu einem Doppelkegeldesign. Levin sagte: „Es hat axiale Symmetrie – wie ein Oberteil, es hat Symmetrie um alle Winkel herum – und ist viel einfacher zu berechnen.“

Die Forschung lieferte neue Erkenntnisse über die Übergangspunkte in der Strömung von glatt zu turbulent, was letztendlich zu einem sichereren Fahrzeugdesign führen kann.

Mehr Informationen:
Ozgur Tumuklu et al, On the unsteadiness of shock-laminar boundary layer interactions of hypersonic flows over a double cone, Physics of Fluids (2018). DOI: 10.1063/1.5047791

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