Un regard de près sur le flux d’air autour de formes à grande vitesse révèle une turbulence surprenante, selon une nouvelle étude. Les résultats, publiés le 7 mars dans la revue Fluides d’examen physiquepourrait éclairer la conception des futurs véhicules à grande vitesse.
Dans l’étude, les chercheurs ont utilisé des simulations tridimensionnelles pour révéler des perturbations inattendues autour des cônes en mouvement rapide.
Aux vitesses hypersoniques – au-dessus de Mach 5, ou plus de 5 fois la vitesse du son (3 836 mph ou 6 174 kilomètres par heure) – l’écoulement de l’air autour de la surface d’un véhicule devient complexe et cahoteux. La plupart des simulations supposent que l’écoulement est symétrique autour du cône entier, mais jusqu’à récemment, les études de la transition de rationalisée à turbulente n’étaient possibles que dans deux dimensions, nous ne pouvions donc pas être sûrs qu’il n’y avait pas d’asymétries en flux autour d’une structure tridimensionnelle.
Les résultats pourraient aider les ingénieurs à concevoir des véhicules plus forts et plus rapides capables de résister aux températures, des pressions et des vibrations extrêmes ressenties pendant le vol hypersonique.
« Les flux de transition sont de nature 3D et instable, quelle que soit la géométrie de l’écoulement », co-auteur de l’étude Irmak Taylan Karpuzcuun ingénieur aérospatial à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign, a déclaré dans un déclaration. « Des expériences ont été menées en 3D au début des années 2000 (mais elles) n’ont pas fourni suffisamment de données pour déterminer les effets 3D ou l’instabilité car il n’y avait pas suffisamment de capteurs tout autour du modèle en forme de cône. Ce n’était pas mal. C’était juste tout ce qui était possible à l’époque. »
Utilisation du supercalculateur Frontera au Texas Advanced Computing Center, Karpuzcu and Aerospace Engineer Deborah Levin simulé comment l’air se déroule autour d’un objet en forme de cône – souvent utilisé comme modèle simplifié pour les véhicules hypersoniques – change en trois dimensions à grande vitesse. Ils ont étudié à la fois un seul cône et un double cône, ce qui aide les scientifiques à étudier comment plusieurs ondes de choc interagissent entre elles.
« Normalement, vous vous attendez à ce que l’écoulement autour du cône soit des rubans concentriques, mais nous avons remarqué des ruptures dans l’écoulement dans les couches de choc à la fois dans les formes de cône simple et double », a déclaré Karpuzcu.
Ces ruptures étaient particulièrement répandues autour de la pointe du cône. À des vitesses élevées, l’onde de choc se trouve plus près du cône, en serrant les molécules d’air en couches instables et en amplifiant les instabilités dans le flux d’air. L’équipe a confirmé ses résultats en exécutant un programme qui suit chaque molécule d’air simulée et capture comment les collisions entre les molécules affectent le flux d’air.
Les perturbations semblent également se développer à grande vitesse. « Au fur et à mesure que vous augmentez le nombre de Mach, le choc se rapproche de la surface et favorise ces instabilités. Il serait trop coûteux d’exécuter la simulation à chaque vitesse, mais nous l’avons exécuté à Mach 6 et nous n’avons pas vu de rupture dans le flux », a déclaré Karpuzcu.
Les pauses pourraient affecter les considérations de conception des véhicules hypersoniques, qui pourraient être utilisés pour l’expédition, les armes et les transports, a déclaré Karpuzcu, car les ingénieurs devront tenir compte des discontinuités nouvellement observées.
