Недавно исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн потрясли научное сообщество, представив первые в мире трехмерные симуляции гиперзвуковых потоков. Событие стало важным шагом в изучении движения объектов на скоростях выше Мах 5 (в пять раз быстрее звука), раскрыв неожиданные аномалии, которые могут повлиять на проектирование гиперзвуковых летательных аппаратов, таких как ракеты и самолеты будущего.
Команда под руководством доктора Деборы Левин (Deborah Levin) и аспиранта Ирмака Тайлана Карпузку (Irmak Taylana Karapuz) из Колледжа инженерии Грейнджера использовала суперкомпьютер Frontera Техасского центра передовых вычислений, чтобы смоделировать, как воздух взаимодействует с гиперзвуковыми объектами.
Ученые сосредоточились на конической форме — типичной для таких аппаратов — и изучили ударные волны и пограничные слои, возникающие при сверхвысоких скоростях. Ранее, в 2000-х годах, эксперименты ограничивались двухмерными данными и небольшим количеством датчиков, что не давало полной картины.
"Теперь у нас есть 3D-модель, которая показывает эффекты, которых никто не ожидал", — рассказал Карпузку.
Ключевое открытие произошло, когда симуляции выявили нарушения симметрии в потоках воздуха. Ученые предполагали, что поток вокруг конуса будет равномерным, но вместо этого обнаружили аномальные разрывы около вершины объекта на скоростях выше Мах 6.
"При увеличении скорости ударная волна подходит ближе к поверхности и вызывает нестабильности. На Мах 6 разрывов не было, но при более высоких скоростях они появились", — пояснил Карпузку. Эти аномалии указывают на сложности, которые необходимо учитывать при создании устойчивых гиперзвуковых аппаратов.
Для проведения расчетов команда применила метод Монте-Карло, позволяющий моделировать поведение миллиардов молекул воздуха, и уникальное программное обеспечение, разработанное ранее студентами Левин.
"Наше ПО оптимизировано для параллельных вычислений, что значительно ускорило процесс", — отметил Карпузку.
Чтобы объяснить обнаруженные разрывы, ученые обратились к теории "тройной палубы", которая подтвердила, что нестабильности связаны с взаимодействием ударных волн и поверхности.
"Мы получили данные, которые помогут создавать более надежные гиперзвуковые аппараты, способные выдерживать экстремальные условия", — подчеркнула Левин