Учёные из Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампейн создали первые глобальные 3D-симуляции сверхзвуковых потоков и обнаружили неожиданные нарушения симметрии, что может повлиять на проектирование скоростных летательных аппаратов.
Прорыв в моделировании гиперзвуковых скоростей
Ученые из Колледжа инженерии Грейнджера при Университете Иллинойса впервые смоделировали взаимодействие гиперзвуковых аппаратов с воздушными потоками в трёхмерном пространстве. С помощью суперкомпьютера Frontera из Техасского центра передовых вычислений доктор Дебора Левин и аспирант Ирмак Тайлан Карпузку детально изучили ударные волны и пограничные слои, возникающие при движении объектов со скоростями, превышающими Мах 5.
«Исследования, начатые в двадцатом веке, были неполными из-за недостатка датчиков. Сейчас имеется трехмерная модель, показывающая удивительные явления. », — пояснил Карпузку.
Неожиданные разрывы в потоке
Во время симуляции учёные изучали, как воздух взаимодействует с коническим объектом, являющимся стандартной формой для гиперзвуковых аппаратов. Предполагалось, что поток будет равномерным и симметричным, но моделирование показало необычные разрывы вблизи вершины конуса.
«Рост скорости Маха приводит к тому, что ударная волна становится ближе к поверхности, вызывая неустойчивости. Рассчёты по показателю Мах 6 не выявили разрывов, однако при более высоких скоростях ситуация изменяется. », — отметил Карпузку.
Метод Монте-Карло и уникальное ПО
Чтобы изучить поведение множества частиц, исследователи обратились к методу Монте-Карло, который оказался результативнее обычной вычислительной гидродинамики. Команда также воспользовалась специализированным программным обеспечением, созданным бывшими студентами Левин, благодаря чему расчеты ускорились.
«Программное обеспечение разработано с учетом возможности одновременных вычислений, что ускоряет выполнение симуляций. », — пояснил Карпузку.
Теория о трех уровнях корабля и открытие новых границ.
Выявив отклонения от нормы, учёные воспользовались теорией линейной устойчивости «тройной палубы», которая дала объяснение неожиданным разрывам. Это открытие может стать ключом к созданию более прочных гиперзвуковых аппаратов, способных противостоять экстремальным нагрузкам.
«Первая полная 3D-модель гиперзвукового потока создана. Это открывает новые возможности для инженеров. », — подчеркнула Левин.
Результаты исследования в журнале Physical Review Fluids.