تحقیقات منجر به مدل سازی بهتر جریان مافوق صوت می شود – ScienceDaily


پرواز هایپرسونیک معمولاً توانایی پرواز با سرعتی به مراتب سریعتر از سرعت صدا خوانده می شود و مجموعه ای استثنایی از چالش های فنی است. به عنوان مثال ، وقتی یک کپسول فضایی دوباره وارد جو زمین می شود ، به سرعت های مافوق صوت – بیش از پنج برابر سرعت صدا – می رسد و در سطح خارجی آن دمای بالاتر از 4000 درجه فارنهایت ایجاد می کند. طراحی یک سیستم حفاظت حرارتی برای ایمن نگه داشتن فضانوردان و محموله ها نیاز به درک درستی از سطح مولکولی فیزیک پیچیده جریان یافته در گاز جریان یافته در اطراف خودرو دارد.

تحقیقات اخیر در دانشگاه Illinois at Urbana-Champaign دانش جدیدی در مورد پدیده های فیزیکی که هنگام لرزش ، چرخش و برخورد اتم ها در این محیط شدید اتفاق می افتد ، اضافه کرده است.

“به دلیل سرعت نسبی جریان اطراف خودرو ، در مقابل کپسول شوک ایجاد می شود. هنگامی که مولکول های گاز از برخورد عبور می کنند ، برخی از خصوصیات آنها تقریباً بلافاصله تغییر می کند. در عوض ، دیگران زمان کافی برای سازگاری با تغییرات ناگهانی را ندارند و به تعادل خود نمی رسند. مقادیر قبل از رسیدن آنها به سطح وسیله نقلیه. سپس لایه بین ضربه و سپر حرارتی متعادل نیست. موارد بسیاری وجود دارد که ما هنوز از واکنش هایی که در این نوع جریان رخ می دهد نمی فهمیم. ” وی دانش آموخته تحصیلات تکمیلی با مارکو پانزی در گروه مهندسی هوافضا در UIUC است.

ونتوری توضیح داد که آنها نمی توانند جریان را همانند جریان فشرده در آیرودینامیک با سرعت پایین تر توصیف کنند ، که خصوصیات کلی جریان را در نظر می گیرد. شارهای فراصوت در سطح میکروسکوپی مورد بررسی قرار می گیرد تا نحوه تعامل مولکول ها و اتم ها و در نهایت نحوه مدل سازی این فعل و انفعالات مورد بررسی قرار گیرد.

ونتوری گفت: “این مسئله با تعداد پدیده هایی که همزمان اتفاق می افتد ، پیچیده تر می شود – عدم تعادل فقط یکی از آنهاست.” “به عنوان مثال ، تشعشع نتیجه پیامدهای الکترونیکی برانگیخته است. در عین حال ، جریان با گازهای حاصل از فرسایش سطح کپسول برهم کنش می کند.”

این مطالعه عدم تعادل را از نظر لرزش و چرخش مولکولهای موجود در جریان اطراف وسیله نقلیه یا روبربراسیون بررسی می کند ، کلمه ای که اغلب در مطالعه های مربوط به ابرجنسی و فیزیک کوانتوم استفاده می شود.

ونتوری گفت: “مشارکت در شبیه سازی های ما از اولین اصول فیزیک کوانتوم ناشی می شود. ما به اتم ها در مجموعه ای از فواصل نسبی نگاه می کنیم و انرژی های برهم کنشی حاصل از حل معادله شرودینگر را محاسبه می کنیم.” “این راه حل فقط در یک مجموعه گسسته از نقاط وجود دارد. یادگیری ماشین به ما کمک می کند تا یک سطح مداوم را جمع کنیم و ایجاد کنیم – چیزی که ما آن را سطح با انرژی بالقوه می نامیم.”

در سال های اخیر ، محققان شروع به جستجوی شبکه های عصبی برای ایجاد سطحی بین این نقاط کرده اند.

ونتوری گفت: “ما با گسترش شبکه های عصبی از طریق یادگیری ماشین احتمالی ، سطح دیگری از پیچیدگی را اضافه کردیم.” “این نه تنها به ما امکان توصیف دقیق تر فعل و انفعالات اتمی را می دهد ، بلکه عدم قطعیت موجود در این اجسام را نیز کمی می کند. ما به جای فقط یک سطح ، توزیعی از سطوح ایجاد کرده ایم ، زیرا پیش بینی حاصل از این مدل ها فقط یک مقدار واحد نیست. اما توزیع مقادیر. بنابراین ، این یک تخمین با عدم اطمینان در مورد مقدار است. نتیجه یک جواب دقیق نیست ، بلکه یک توزیع پاسخ است. “

ونتوری گفت که از آنجا که آنها انرژی متقابل بین مولکول ها و اتم ها را نشان می دهند ، میلیاردها برخورد را شبیه سازی می کنند.

“ما می دانیم که برای مجموعه کوچکی از نقاط مکانی چه اتفاقی می افتد و سپس از معادله مکانیک کلاسیک استفاده می کنیم. معادلات همان معاملات حاکم بر برخورد توپهای بیلیارد هستند. تفاوت در این است که ما از این فعل و انفعالات ، این فعل و انفعالات کوانتومی به عنوان نیروهای محرک استفاده می کنیم. این عارضه لازم است. از مقیاس اتمی مسئله ، زیرا ذرات می توانند یکدیگر را حتی در فاصله دور احساس کنند. با تعداد زیادی برخورد می توان احتمال بروز واکنش های خاصی را دریافت کرد. در دینامیک محاسباتی مایعات با هدف نهایی پیش بینی جریان ها و طراحی بیشتر صفحه های حرارتی ایمن ، “او گفت.

اگرچه آنها اولین کسانی نبودند که از یادگیری ماشین برای ساختن سطوحی با انرژی بالقوه استفاده کردند ، “ونتوری گفت:” ما اولین کسانی بودیم که در مورد این مقادیر عدم اطمینان یافتیم. این روشی برای تأیید صحت یادگیری ماشین است که برای ایجاد این پتانسیل ها به کار رفته است. “

در پروژه تحقیقاتی دوم ، ونتوری گفت که آنها اکنون اطلاعات بیشتری در مورد پویایی تفکیک در جریانهای فراصوت دارند ، یعنی. چگونه مولکولها پیوندهای خود را می شکند و در نتیجه برخورد شدید به دو اتم جداگانه تبدیل می شوند.

ونتوری گفت: “درجه حرارت شدید حالت های مافوق صوت ، فیزیک بسیار خاصی ایجاد می کند.” “این امر تشخیص بین ارتعاشات و چرخشهای مولکولها را غیرممکن می کند. شما نمی توانید آنها را از هم جدا کنید زیرا آنها به شدت به هم پیوسته اند. ما دریافتیم که این اثر عواقب مهمی در مکانیسم های تفکیک دارد.

ونتوری گفت: “این جالب است ، نه تنها از نظر شیمیایی ، بلکه از نظر مهندسی نیز. واکنش های شیمیایی که پس از برخورد مولکول های گاز و اتم ها اتفاق می افتد یا انرژی را در جریان آزاد می کنند و یا انرژی را از آن خارج می کنند.” “بنابراین اگر می خواهیم شار حرارتی را که مانع محافظت از حرارت می شود کمی کنیم ، باید پیش بینی کنیم که چه مقدار انرژی در جریان اطراف خودرو ذخیره می شود. تفکیک مولکول ها در جو چیزی نیست که ما معمولاً در دمای اتاق مشاهده کنیم. فقط در دمای بالاتر از 4500 درجه فارنهایت برای اکسیژن و 7000 درجه فارنهایت برای ازت. این یک پدیده جالب است و ما اکنون اطلاعات بیشتری در مورد آن داریم. “


منبع: hobobat-news.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*