在超音速速度下，当气体与飞行器的表面相互作用时，会出现复杂性，如边界层和冲击波。伊利诺伊大学厄本那-香槟分校格兰杰工程学院航空航天工程系的研究人员能够在首次进行三维模拟时观察到新的扰动。
完全的三维模拟需要大量的计算能力，使得计算工作变得昂贵。德博拉·莱文和她的博士生伊尔马克·泰兰·卡尔普兹库能够进行这项研究的两个因素是：德克萨斯高级计算中心由国家科学基金会资助的领导阶层计算机系统Frontera的使用时间，以及莱文几位前研究生在过去几年开发的软件。
卡尔普兹库说：“过渡流在性质上是三维和不稳定的，无论流动几何如何。早在2000年代初进行的三维实验没有提供足够的数据来确定任何三维效应或不稳定性，因为周围的锥形模型没有足够的传感器。这并不是说错了，只是当时能做的。”卡尔普兹库补充道：“我们有这些数据可以比较，但现在在三维中拥有完整的图像是不同的。通常，你会期望锥体周围的流动是同心带状的，但我们注意到在单锥和双锥形状的冲击层内流动出现了断裂。”
卡尔普兹库表示，他们观察到了锥尖附近的断裂，以及靠近空气分子更密集，使其更具粘性的冲击波，速度为16马赫。
“随着马赫数的增加，冲击波就会更靠近表面并促进这些不稳定性。在每个速度下运行模拟的成本太高，但我们确实在马赫6下运行过模拟，并没有看到流动中的断裂。”
卡尔普兹库表示，锥形几何体代表了许多超音速飞行器的简化版本，理解流动如何影响表面特性可以帮助进行设计考虑。
“我们小组的内部软件使在并行处理器上运行模拟变得高效，因此速度更快。已有高速度条件下实验的数据，因此我们对模拟结果有一些直觉，但在三维中我们发现了意想不到的断裂。”
他说，工作的最困难部分是分析为什么流动中会发生断裂。
“流动应该朝各个方向均匀地进行。我们需要证明我们看到的现象。我们的文献回顾表明，可以将基于三层理论的线性稳定性分析应用于这种流动。在分析复杂公式并将其与我们的案例联系起来后，我们开发了一个代码来数值模拟该问题。进行三维直接模拟蒙特卡洛模拟很困难，但然后我们设置了第二个计算机程序，以确保一切正常并在我们的流动条件范围内。当我们这样做时，我们看到在锥体周围以180度的周期性出现了两个大块的断裂。”
卡尔普兹库表示，直接模拟蒙特卡洛法的优点在于它可以跟踪流动中的每个空气分子并捕获冲击波。
“当你使用其他方法计算流体力学时，都是确定性的。当我们将一个粒子引入流场时，该粒子与其他粒子或任何固体表面碰撞的概率是基于物理公式计算的，但输出是一次掷骰子的结果。蒙特卡洛方法进行随机、重复的尝试，涉及的粒子数量比经典计算流体力学方法要多得多，我们正在跟踪数十亿个粒子。这确保了流场内有足够的粒子并且碰撞被正确捕获。”
