研究有助于理解高超声速流动
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员使用在 NASA 兰利马赫 6 风洞中收集的数据，通过直接数值模拟复制了压缩斜坡流的高超声速流动条件。模拟产生了大量额外数据，可用于更好地了解以高超音速行驶的车辆周围发生的现象。
“来自实验的数据有些有限——例如从测试对象上几个位置的压力探头获取。当我们运行数值模拟时，我们获取信息——例如压力、温度、密度和流体速度——关于包括飞行器表面在内的整个流场。这可以帮助解释一些实验者已经发现但由于缺乏数据而无法完全解释的事情，”伊利诺伊州航空航天工程系博士生 Fabian Dettenrieder 说。 .
该研究模拟了用于操纵飞机的机翼末端的控制面。在这种情况下，它模拟了一个包括前缘的平板，具有 35 度压缩斜坡配置，之前已经在兰利高超音速风洞中进行了实验测试。
Dettenrieder 解释说，高超音速流动是复杂的。流动的高能量导致巨大的压力和热负荷——除了冲击——在实验和数值上都产生了具有挑战性的问题。本研究中考虑的流动配置涉及超临界斜坡角，导致分离气泡本质上是不稳定的。准确捕捉这种现象很复杂，因为它非常容易受到环境的影响，例如噪声和湍流。此外，车辆外部的面板越薄——通常是出于重量优化的考虑——它们就越有可能开始偏离完美的刚性行为，这会导致与流动的相互作用，并可能产生额外的复杂性流体结构系统。
而且，除了在自然环境中造成湍流的因素外，风洞本身还会引起声学干扰，从而引发不稳定的流体运动，从而导致湍流。
“我们认为在实验数据和之前的 2D 模拟之间发现的差异是由于缺乏风洞壁产生的声辐射。在这个 3D 模拟中，我们在安静和安静的环境下复制了风洞实验。噪声条件——通过在计算域的远场边界引入自由流扰动来产生噪声。
“之前已经研究过声干扰的影响，但不是在这种高超音速斜坡配置的背景下，”他说。“我们能够准确地规定声学自由流扰动。”他说他们观察到的东西增加了对实验中观察到的不稳定流动现象的基本理解。
模拟在 Frontera 上运行，Frontera 是德克萨斯大学奥斯汀分校德克萨斯高级计算中心由国家科学基金会资助的超级计算机系统。Dettenrieder 的教师顾问是 Blue Waters 教授 Daniel Bodony，他在 Frontera 上获得了 500 万个节点小时的拨款，用于研究流体-热-结构相互作用。
Dettenrieder 表示，模拟继续在 Frontera 上运行，尚未完成。“这是非常劳动密集型和耗时的，”他说。“我每天检查几次以确保它正常运行。它正在继续获取更多数据，这些数据将提供更多信息，帮助我们了解高超音速流动的复杂性。”
该研究“高超声速压缩斜坡流中边界层对声辐射的直接数值模拟”由伊利诺伊大学香槟分校的 Fabian Dettenrieder、Bryson Sullivan 和 Daniel J. Bodony 以及 Antonio Schoneich 和 Stuart 撰写马里兰大学的劳伦斯。这项工作由空军科学研究办公室资助，Sarah Popkin 博士是项目官员。
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