Mechanisms of transonic buffet over supercritical airfoils revealed by direct numerical simulations

आधुनिक वाणिज्यिक विमानों की उच्च-ऊंचाई वाली क्रूजिंग के दौरान, पंखों के ऊपर बहने वाली हवा की गति बहुत तेज़ और बहुत धीमी गति का मिश्रण होती है। जब एक विमान अपनी विशिष्ट क्रूजिंग गति पर उड़ता है, तो हवा पंख के घुमावदार ऊपरी हिस्से के ऊपर त्वरित होती है, जिससे एक छोटे से पॉकेट में यह ध्वनि की गति से भी तेज़ हो जाती है और फिर अचानक धीमी हो जाती है। यह अचानक धीमापन एक शॉक वेव (आघात तरंग) पैदा करता है, जो एक पतली सीमा है जहाँ हवा का दबाव तुरंत बढ़ जाता है। सामान्य परिस्थितियों में, यह शॉक वेव शांति से अपने स्थान पर टिकी रहती है। हालाँकि, यदि पायलट ऊंचाई प्राप्त करने के लिए विमान की नाक को थोड़ा ऊपर उठाता है, तो शॉक वेव अस्थिर हो सकती है। यह आगे-पीछे दोलन करने लगती है, और पंख की सतह से टकराते हुए एक लयबद्ध, कम-आवृत्ति वाली धमक पैदा करती है। यह घटना, जिसे ट्रांसोनिक बफेट (transonic buffet) के रूप में जाना जाता है, केवल एक परेशानी मात्र नहीं है; यह हिंसक कंपन पैदा करती है जो विमान की धातु संरचना को थका सकती है, जिससे दरारें और संभावित विफलता हो सकती है। दशकों से, इंजीनियर इस बात की सटीक भविष्यवाणी करने के लिए संघर्ष कर रहे हैं कि यह कंपन कब शुरू होगा और कौन सा भौतिक तंत्र इसे संचालित करता है, जिसके कारण उन्हें ऐसे विमानों को डिजाइन करने के लिए मजबूर होना पड़ता है जिनमें सुरक्षात्मक सीमाएं बहुत अधिक रूढ़िवादी होती हैं, जो उनके कितनी ऊंचाई और कितनी गति से उड़ सकते हैं, इस पर प्रतिबंध लगाती हैं।

इस रहस्य को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने तरल गति के अध्ययन के लिए उपलब्ध सबसे शक्तिशाली उपकरण की ओर रुख किया: डायरेक्ट न्यूमेरिकल सिमुलेशन (प्रत्यक्ष संख्यात्मक सिमुलेशन)। एक विंड टनल में भौतिक मॉडल बनाने के बजाय, उन्होंने एक सुपरक्रिटिकल एयरफॉइल (एक विशेष पंख का आकार जिसे इन शॉक वेव्स की शुरुआत को रोकने के लिए डिज़ाइन किया गया है) के ऊपर वायु प्रवाह का एक आदर्श, आभासी प्रतिनिधित्व बनाया। एक सुपरकंप्यूटर का उपयोग करके, उन्होंने हवा के गति के मूलभूत समीकरणों को हल किया, जिसमें टर्बुलेंस (विक्षोभ) के हर छोटे भंवर और भँवर को बिना किसी भौतिक सरलीकरण के ट्रैक किया गया। उन्होंने इन सिमुलेशन को वायु घनत्व और गति के दो अलग-अलग पैमानों पर चलाया, जो रेनॉल्ड्स नंबर के 300,000 और 600,000 के अनुरूप थे, और धीरे-धीरे उस कोण को बढ़ाया जिस पर पंख हवा से मिलता है। ऐसा करके, उन्होंने प्रवाह को एक सुचारू, स्थिर अवस्था से पूर्ण बफेट के अराजक, स्व-स्थायी कंपन में बदलते हुए देखा।

सिमुलेशन ने उन घटनाओं के एक स्पष्ट क्रम को प्रकट किया जो अस्थिरता की ओर ले जाती हैं। जैसे-जैसे पंख का कोण बढ़ा, शॉक वेव पंख की सतह के साथ पीछे की ओर बढ़ने लगी। एक महत्वपूर्ण बिंदु पर, शॉक वेव ने अचानक दिशा बदल दी और फिर से आगे की ओर बढ़ने लगी। यह दिशा परिवर्तन अस्थिरता होने का पहला संकेत था। जैसे-जैसे कोण और बढ़ा, शॉक वेव बेतहाशा दोलन करने लगी। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह कंपन यादृच्छिक नहीं है; यह एक एकल, प्रमुख लय द्वारा संचालित होता है जो गंभीर होने से पहले ही उभर आता है। यह एक ग्लोबल इंस्टेबिलिटी (वैश्विक अस्थिरता) है, जिसका अर्थ है कि पूरा प्रवाह क्षेत्र इस दोलन में भाग लेता है, और एक स्थिर, दोहराव वाले चक्र में स्थापित होने तक मजबूत होता जाता है।

एक प्रमुख खोज यह थी कि हवा इस कंपन को बनाए रखने के लिए खुद से कैसे "बात" करती है। शोधकर्ताओं ने एक फीडबैक लूप (प्रतिपुष्टि चक्र) की पहचान की, जो एक ऐसा चक्र है जहाँ एक विक्षोभ प्रवाह के एक हिस्से से दूसरे हिस्से तक जाता है और मूल गति को बढ़ाने के लिए वापस आता है। यह चक्र तब शुरू होता है जब शॉक वेव ऊपर की ओर (upstream) बढ़ती है, जिससे हवा पंख से दूर हट जाती है और इसके पीछे हवा का एक बड़ा अलग, घूमता हुआ पॉकेट बन जाता है। पंख के पिछले किनारे (trailing edge) के ठीक पीछे स्थित यह टर्बुलेंट पॉकेट, ध्वनि तरंगों के स्रोत के रूप में कार्य करता है। ये तरंगें ऊपर की ओर यात्रा करती हैं, प्रवाह के विरुद्ध चलती हैं, और शॉक वेव को सामने से टकराती हैं। इन तरंगों का प्रभाव शॉक वेव को और अधिक ऊपर की ओर धकेलता है, जो बदले में अधिक टर्बुलेंस पैदा करता है, जिससे अधिक ध्वनि तरंगें उत्पन्न होती हैं, और इस प्रकार यह चक्र पूरा होता है।

अध्ययन ने इस बात का विस्तृत मानचित्र प्रदान किया कि ये ध्वनि तरंगें कैसे यात्रा करती हैं। कुछ पहले के सिद्धांतों के विपरीत, जिन्होंने सुझाव दिया था कि तरंगें पंख के निचले हिस्से या अगले हिस्से (leading edge) के चारों ओर यात्रा करती हैं, सिमुलेशन ने दिखाया कि ध्वनि के शॉक वेव तक पहुँचने का सबसे प्रभावी मार्ग पंख के ऊपर की सुपरसोनिक हवा के पॉकेट के माध्यम से यात्रा करना है। यह मार्ग ध्वनि को शॉक वेव तक सामने से पहुँचने का अवसर देता है, जिसे शोधकर्ताओं ने शॉक वेव को धकेलने और दोलन को बनाए रखने का सबसे प्रभावी तरीका पाया। उन्होंने यह भी पाया कि हवा को शॉक वेव से पिछले किनारे तक जाने और ध्वनि के वापस आने में लगने वाला समय, कंपन की अवधि से पूरी तरह मेल खाता है। इसने पुष्टि की कि बफेट वास्तव में एक स्व-स्थायी चक्र है जो इस एयरोअकॉस्टिक फीडबैक द्वारा संचालित होता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि शॉक वेव से टकराने से पहले पंख के ऊपर बहने वाली हवा की स्थिति इस कंपन को कैसे प्रभावित करती है। उन्होंने एक कम गति वाले मामले की तुलना, जहाँ हवा पूरी तरह से टर्बुलेंट नहीं थी, एक उच्च गति वाले मामले से की जहाँ हवा पूरी तरह से टर्बुलेंट थी। उन्होंने पाया कि हालांकि फीडबैक लूप का मूल तंत्र समान रहा, लेकिन टर्बुलेंस के नीचे की ओर यात्रा करने की गति बदल गई। कम गति वाले मामले में, टर्बुलेंस अधिक धीरे चला, जिससे उसे ध्वनि तरंगें उत्पन्न करने के लिए पिछले किनारे तक पहुँचने में अधिक समय लगा। यात्रा के समय में इस अंतर ने समझाया कि दोनों मामलों के बीच कंपन की आवृत्ति थोड़ी भिन्न क्यों थी। यह निष्कर्ष बताता है कि बाउंड्री लेयर (पंख को चिपकी हुई हवा की पतली परत) की स्थिति बफेट की सटीक लय निर्धारित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है।

इन अवलोकनों को जोड़कर, अध्ययन ट्रांसोनिक बफेट की एक एकीकृत तस्वीर प्रस्तुत करता है। यह प्रवाह की ग्लोबल इंस्टेबिलिटी, ध्वनि तरंगों के विशिष्ट पथ और टर्बुलेंट बाउंड्री लेयर को एक एकल, सुसंगत कहानी में जोड़ता है। शोध इस बात की पुष्टि करता है कि यह कंपन किसी एक कारक के कारण नहीं है, बल्कि बलों के एक नाजुक संतुलन का परिणाम है: शॉक वेव की गति, हवा का अलगाव, वेक (wake) में ध्वनि का उत्पादन, और उस ध्वनि का वापस आकर शॉक वेव को फिर से धकेलना। यह समझ बफेट कब होगा, इसकी भविष्यवाणी करने के लिए एक ठोस आधार प्रदान करती है और अंततः इंजीनियरों को ऐसे पंख डिजाइन करने में मदद कर सकती है जो इस खतरनाक कंपन के प्रति कम संवेदनशील हों, जिससे विमान अधिक कुशलता और सुरक्षा से उड़ सकें। यह कार्य एक उच्च-स्तरीय संदर्भ के रूप में खड़ा है, जो एक जटिल भौतिक घटना का स्पष्ट दृश्य प्रस्तुत करता है जिसने लंबे समय से विमानन उद्योग को चुनौती दी है।