Mas não éo caso da indústria aerona¡utica. A física de decolagem, pouso e voo em alta velocidade émuito mais complexa e as ferramentas de simulação atuais não podem antecipar totalmente o processo de design. “A simulação de um avia£o comercial em va´o équase intrata¡vel atémesmo para o maior computador do mundo”, diz Parviz Moin , a professora Franklin P. e Caroline M. Johnson da Escola de Engenharia, professora de engenharia meca¢nica e diretora do Centro para Turbulence Research (CTR) em Stanford.

Ainda assim, os engenheiros aerona¡uticos estãotrabalhando para trazer precisão semelhante em seus modelos. E agora, Moin diz que ele e uma equipe de colaboradores descobriram que certas "quantidades-chave de interesse" para análise e projeto de engenharia - várias forças e momentos - podem ser previstas dentro da margem de precisão exigida pela indústria aerona¡utica, com apenas um modesto ca¡lculo computacional esfora§o. Eles podem fazer isso, dizem ele e seus colegas, incorporando avanços recentes em manãtodos numanãricos e modelos fa­sicos e aproveitando unidades de processamento gra¡fico super-rápidas e softwares macia§amente paralelos.

Kevin Griffin , um candidato a doutorado e membro do CTR, diz que sempre que vocêfaz suposições de modelagem, vocêintroduz o potencial de erro para simplificar o problema. “Mas, se as suposições do modelo forem fisicamente corretas, essas quantidades de interesse podem ser previstas com precisão e eficiência.”

Em um esfora§o concentrado para reduzir esse potencial de erro, mas ainda assim acelerar seus ca¡lculos, a equipe introduziu novas simulações que melhoram muito a previsão de sustentação e arrasto da estrutura de um avia£o. Notavelmente, essas simulações são muito mais precisas do que os modelos anteriores que substituem, mas funcionam com a mesma rapidez.

Eles alcana§aram seu avanço dividindo o problema em componentes matema¡ticos menores - isolando a área onde o ar e o avia£o se encontram da turbulaªncia mais distante dasuperfÍcie. A resolução computacional do fluxo de ar émais difa­cil perto da “parede” onde o ar encontra o plano. Mas essas regiaµes também são mais universais. E, nessa replicabilidade, os pesquisadores encontraram a chave para maior precisão e velocidade.

Conceitualmente e computacionalmente, o fluxo de ar sobre asuperfÍcie de um avia£o écaa³tico e turbulento, como um rio de a¡guas bravas, com redemoinhos girando e evoluindo rapidamente. Nãoéque modeladores, como Moin e seus colaboradores, não entendam qualitativamente como esses redemoinhos funcionam, mas calcular seu comportamento exige muito do computador - proibitivamente. Para acelerar os ca¡lculos, eles simulam apenas os maiores redemoinhos, que carregam a grande maioria da energia cinanãtica do fluxo e são mais gerencia¡veis ​​computacionalmente para resolver.

Isso deixa os pequenos redemoinhos não contabilizados nas simulações, então Moin e sua equipe introduziram um segundo modelo para calcular seu efeito nos grandes redemoinhos. Essa abordagem em duas etapas ébem-sucedida e reduz muito a demanda computacional, porque os pequenos redemoinhos se comportam de maneira semelhante onde quer que ocorram, ao contra¡rio dos grandes redemoinhos, que parecem muito diferentes em um rio de corredeiras e nasuperfÍcie de um avia£o.

“Se vocêolhar asuperfÍcie de um avia£o sob um microsca³pio, não parece tão diferente no nariz ou na asa”, explica Griffin. “O fluxo de ar também ébastante semelhante onde quer que vocêolhe nas proximidades dasuperfÍcie do avia£o. Isso nos permite modelar o comportamento em um local isolado e aplica¡-lo em todos os lugares. ”

A indústria estãoobservando esses avanços. A NASA e um importante parceiro industrial financiaram Konrad Goc , estudante de doutorado em Stanford na CTR, para estabelecer se a nova abordagem estãopronta para ser usada no projeto de novos aviaµes comerciais.

“Descobrimos que nossas simulações tem uma precisão superior em comparação com as ferramentas existentes nos principais regimes de fluxo. Isso dara¡ aos projetistas de aeronaves mais confianção em suas previsaµes de simulação, especialmente para configurações de pouso complexas ”, diz Goc.

A equipe de Stanford agora estãotrabalhando para estender suas simulações a aeronaves hipersa´nicas - aviaµes que voam a várias vezes a velocidade do som. Esse va´o éainda mais difa­cil de modelar do que aqueles em velocidades mais lentas, mas os pesquisadores do CTR estãoadaptando seus modelos de aeronaves convencionais a  física complexa.

Enquanto um avia£o voa, o corpo da aeronave e o ar são travados em uma disputa de empurraµes. O avia£o empurra o ar; o ar empurra de volta. Onde eles se encontram, as temperaturas aumentam. Quanto mais rápido o avia£o viaja, maior éo calor. Sem mitigar, o calor pode causar falhas catastra³ficas. “Por 70 anos”, diz Griffin, “os pesquisadores tem tentado prever matematicamente as cargas tanãrmicas extremas que os vea­culos hipersa´nicos sofrem”. Com um progresso constante, soluções para problemas selecionados surgiram e foram aprimoradas, mas não havia uma abordagem única adequada para todos os casos.

Moin e Griffin e seu coautor, Lin Fu, publicaram recentemente um artigo em Proceedings of the National Academy of Sciences detalhando um modelo matema¡tico da velocidade do fluxo em voo hipersa´nico que leva em conta a velocidade e os altos na­veis de aquecimento encontrados em tal velocidades.

A sabedoria convencional na área diz que o ar tem um comportamento universal pra³ximo a  fuselagem, independentemente da velocidade, mas, diz Moin, essa teoria não funcionou bem nos modelos.

“Considerando o efeito desses redemoinhos turbulentos, tornamos o modelo mais preciso, mesmo quando hámuito calor sendo gerado”, diz ele.

Eles descobriram que o fluxo de ar onde o avia£o e o ar se encontram muda nas velocidades hipersa´nicas de duas maneiras. (Os modelos anteriores não levaram em conta as duasmudanças.) O primeiro éo atrito, a  medida que as moléculas e os a¡tomos do ar deslizam contra os da fuselagem do avia£o. O segundo éa pressão gerada a  medida que a velocidade do avia£o aumenta a força do ar contra a fuselagem. Maior pressão produz maior calor.

Esse deslizamento de moléculas umas contra as outras, como uma lixa, gera muito calor onde o ar e o avia£o se encontram, explica Griffin. Poranãm, quanto mais vocêse afasta dessa camada, o processo de aquecimento muda do atrito para a mistura, o que éum tipo diferente de problema matema¡tico, acrescenta. O novo modelo antecipa, pela primeira vez, essa natureza dupla de atrito e compressão e as correntes de convecção que giram para longe dasuperfÍcie do avia£o.

“Demonstramos uma precisão aprimorada em casos de teste cana´nicos, então agora éhora de aplicar nosso modelo a uma simulação de um vea­culo hipersa´nico real”, disse Griffin. “Estou otimista de que nosso modelo ajudara¡ os designers a fazer previsaµes mais confia¡veis, diminuindo os custos e tornando as viagens em alta velocidade mais acessa­veis.”

“Em nosso grupo de pesquisa, sentamos em um banquinho com três pernas - física, matemática e ciência da computação. Todos os três devem estar alinhados para obter o resultado certo ”, disse Moin.