Ученые из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн совершили прорыв в аэрокосмической инженерии, проведя первые в мире полномасштабные трехмерные симуляции гиперзвуковых потоков. Это исследование выявило фундаментальные нарушения симметрии в поведении воздуха на экстремальных скоростях, что может потребовать пересмотра принципов проектирования летательных аппаратов, движущихся быстрее звука в пять и более раз.
Прорыв в моделировании гиперзвуковых скоростей
Команда из Инженерного колледжа Грейнджера под руководством доктора Деборы Левин и аспиранта Ирмака Тайлана Карпузку впервые смоделировала полную трехмерную картину взаимодействия гиперзвукового объекта с атмосферой. Для этих сложнейших вычислений, требующих обработки поведения миллиардов частиц, был задействован один из мощнейших суперкомпьютеров мира — Frontera в Техасском передовом вычислительном центре (TACC). Это позволило детально визуализировать ударные волны и турбулентные пограничные слои, которые возникают при скоростях свыше 5 Махов.
«Ранние эксперименты, проводившиеся около двадцати лет назад, были ограничены в данных, — объясняет Карпузку. — Теперь же наша 3D-модель раскрывает физические эффекты, которые раньше были недоступны для наблюдения, открывая новую главу в понимании гиперзвуковой аэродинамики».
Неожиданные разрывы в потоке
Исследователи сосредоточились на изучении обтекания конусообразного тела — классической формы для гиперзвуковых аппаратов. Вопреки ожиданиям о равномерном и симметричном потоке, симуляция выявила выраженную неоднородность и нарушения симметрии в критической области возле носовой части объекта.
Обратите внимание: MIT и IBM хотят изменить наш мир с помощью искусственного интеллекта.
Это указывает на возникновение сложных неустойчивостей при экстремальных скоростях.«С увеличением числа Маха ударная волна прижимается к поверхности летательного аппарата, что провоцирует нестабильность, — отмечает Карпузку. — На скоростях до 6 Махов изменения были постепенными, однако наши модели предполагают, что на еще более высоких скоростях могут происходить качественные скачки в поведении потока».
Метод Монте-Карло и уникальное ПО
Для точного моделирования редкой атмосферы на больших высотах и высоких скоростях команда применила метод прямого статистического моделирования Монте-Карло. Этот подход, в отличие от традиционной вычислительной гидродинамики, более эффективен для анализа разреженных газов. Ключевую роль сыграло и специализированное программное обеспечение, разработанное для высокопроизводительных параллельных вычислений, что позволило значительно ускорить процесс моделирования.
«Наш софт был создан с нуля для решения именно таких задач, что дало нам решающее преимущество в скорости и детализации расчетов», — поясняет Карпузку.
Теория "тройной палубы" и новые горизонты
Для интерпретации обнаруженных аномалий ученые привлекли теорию «тройной палубы» — математический аппарат для анализа устойчивости пограничных слоев. Эта теория помогла объяснить механизм возникновения неожиданных разрывов симметрии. Полученные знания имеют огромное практическое значение: они позволят инженерам проектировать гиперзвуковые аппараты с улучшенной аэродинамической стабильностью и теплозащитой, способные надежно выдерживать колоссальные термические и механические нагрузки.
«Мы получили первую в мире полную 3D-картину гиперзвукового обтекания, — подводит итог доктор Левин. — Это фундаментальный инструмент, который открывает перед инженерами и учеными совершенно новые возможности для инноваций».
Результаты этого знакового исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале Physical Review Fluids.
Читайте все последние новости технологий на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.