Новое достижение в гиперзвуковых исследованиях: 3D-симуляции обнаружили разрывы в потоках, влияющие на разработку гиперзвуковых аппаратов

В Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн недавно совершили значительный прорыв, представив миру первые трехмерные симуляции гиперзвуковых потоков. Это открытие стало важной вехой в исследовании движения объектов на скоростях, превышающих Мах 5 (пятикратная скорость звука), выявив уникальные аномалии, которые могут оказать влияние на проектирование гиперзвуковых летательных аппаратов, таких как перспективные ракеты и самолеты.

Под руководством доктора Деборы Левин и аспиранта Ирмака Тайлана Карпузку из Колледжа инженерии Грейнджера команда использовала суперкомпьютер Frontera Техасского центра передовых вычислений для моделирования взаимодействия воздуха с гиперзвуковыми объектами.

Исследователи сосредоточили свое внимание на конусообразной форме, характерной для этих аппаратов, изучая ударные волны и пограничные слои, возникающие при экстремально высоких скоростях. В прошлом, в 2000-х годах, эксперименты ограничивались двухмерными данными и небольшим количеством сенсоров, что не позволило получить полную картину.

«Теперь у нас есть 3D-модель, демонстрирующая эффекты, которые были абсолютно неожиданны», — поделился Карпузку.

Важным открытием стало выявление нарушений симметрии в потоках воздуха. Ученые предполагали, что движение воздуха вокруг конуса будет равномерным, но обнаружили аномальные разрывы вблизи вершины объекта при скоростях выше Мах 6.

«С увеличением скорости ударная волна приближается к поверхности, провоцируя нестабильности. На Мах 6 разрывов не наблюдалось, но при еще больших скоростях они возникли», — пояснил Карпузку. Эти аномалии указывают на сложности, которые необходимо учитывать в процессе разработки прочных гиперзвуковых аппаратов.

Для расчетов команда применила метод Монте-Карло, который позволяет моделировать поведение миллиардов молекул воздуха, и специально разработанное программное обеспечение, созданное студентами Левин.

«Наше ПО было оптимизировано для параллельных вычислений, что значительно ускорило процесс», — отметил Карпузку.

Для объяснения обнаруженных разрывов ученые обратились к теории «тройной палубы», которая подтвердила, что нестабильности обусловлены взаимодействием ударных волн с поверхностью.

«Полученные данные окажут помощь в разработке более надежных гиперзвуковых аппаратов, способных функционировать в экстремальных условиях», — подчеркнула Левин

Источник: iXBT