Ученые обнаружили неожиданные аномалии в гиперзвуковых потоках: новые симуляции раскрыли новые детали
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн провели первые в мире 3D-симуляции гиперзвуковых потоков, выявив неожиданные нарушения симметрии, которые могут изменить подход к проектированию сверхскоростных летательных аппаратов.
Прорыв в моделировании гиперзвуковых скоростей
Команда ученых из Колледжа инженерии Грейнджера при Университете Иллинойса впервые смоделировала сложное взаимодействие гиперзвуковых аппаратов с воздушными потоками в трехмерном пространстве. Используя суперкомпьютер Frontera из Техасского центра передовых вычислений (TACC), доктор Дебора Левин и аспирант Ирмак Тайлан Карпузку смогли детально изучить ударные волны и пограничные слои, возникающие при движении объектов на скоростях, превышающих Мах 5.
«Ранние эксперименты, проведенные в 2000-х, не давали полной картины из-за ограниченного количества датчиков. Теперь у нас есть 3D-модель, которая раскрывает неожиданные эффекты», — пояснил Карпузку.
Неожиданные разрывы в потоке
В ходе симуляции ученые исследовали поведение молекул воздуха вокруг конического объекта — стандартной формы для гиперзвуковых аппаратов. Ожидалось, что поток будет равномерным и симметричным, однако моделирование выявило аномальные разрывы вблизи вершины конуса.
«При увеличении числа Маха ударная волна приближается к поверхности и провоцирует нестабильности. Мы провели расчеты для Мах 6 и не обнаружили разрывов, но на более высоких скоростях картина меняется», — отметил Карпузку.
Метод Монте-Карло и уникальное ПО
Для анализа поведения миллиардов частиц исследователи использовали метод Монте-Карло, который оказался эффективнее традиционной вычислительной гидродинамики. Кроме того, команда применила специализированное программное обеспечение, разработанное предыдущими студентами Левин, что позволило ускорить расчеты.
«Наше ПО оптимизировано для параллельных вычислений, поэтому симуляции выполняются гораздо быстрее», — пояснил Карпузку.
Теория "тройной палубы" и новые горизонты
Обнаружив аномалии, ученые обратились к теории линейной устойчивости «тройной палубы», которая помогла объяснить неожиданные разрывы. Это открытие может стать ключом к созданию более устойчивых гиперзвуковых аппаратов, способных выдерживать экстремальные нагрузки.
«Мы получили первую полную 3D-модель гиперзвукового потока, что открывает новые возможности для инженеров», — подчеркнула Левин.
Результаты исследования в журнале Physical Review Fluids.