In een straalmotor, de luchtstroom wordt vertraagd om de temperatuur en druk voor de verbranding te verhogen - het verbranden van brandstof met de juiste verhouding tussen brandstof en lucht om weerstand te overwinnen zorgt voor versnelling.

Maar in supersonische motoren die de juiste stroomsnelheid bereiken, het produceren van de juiste verhouding van verdampte brandstof en het veroorzaken van ontsteking op het juiste moment is complexer. Met verdampende vloeistof in een verbrandingskamer, er speelt meer dan alleen zwaartekracht en weerstand, vooral met supersonische schokgolven in de vergelijking.

Vortices - de dynamische structuren die in een turbulente stroming worden gecreëerd - worden beïnvloed door de schokgolf. Dit verandert de manier waarop de brandstof verbrandt en vermenigvuldigt het aantal mogelijkheden van hoe deeltjes zich kunnen gedragen. Om ons begrip van de dynamiek van supersonische stroming te verdiepen, onderzoekers kijken naar numerieke modellering om de enorme verscheidenheid aan mogelijke uitkomsten in dit veranderde systeem te berekenen.

In hun studie hebben deze week gepubliceerd in Fysica van vloeistoffen , Zhaoxin Ren, Bing Wang en Longxi Zheng bekeken supersonische verbranding in een tijdreeks door middel van numerieke modellering. Hierdoor konden ze zien hoe veranderende variabelen, zoals massalading van brandstof, de intensiteit van de schokgolf, en de soorten reflecterende en uitgezonden golven die op verschillende tijdstippen worden gecreëerd, zullen de ontsteking beïnvloeden.

Ze waren in staat om de invloed van een invallende schuine schokgolf op grootschalige afschuifwervels en exotherme reacties kwantitatief te karakteriseren, wiskundig in kaart brengen van de invloed van variabelen en de resulterende soorten golven gecreëerd in een geschokt gas. Hun analyse stelt een betrouwbare simulatiemethode vast voor supersonische verbranding met behulp van wiskundige modelleringstools die speciaal voor dit doel zijn ontworpen.

"Momenteel, geen enkele commerciële software kan het probleem van supersonische verbranding simuleren, omdat het numerieke schema's van hoge orde vereist om supersonische stromen te berekenen met gecompliceerde geëvolueerde schokken, evenals gecorrigeerde modellen om de druppeldynamiek te beschrijven, die we beide zorgvuldig overwegen in onze interne simulatiecodes, "Wan zei, een co-auteur van de studie. "Directe numerieke simulatie kan de volledige schaal van stromen vastleggen die betrokken zijn bij de schok-vortex-interactie."

Met behulp van een combinatie van aangepaste simulatiecodes en de Euleriaanse-Lagrangiaanse methode die gewoonlijk wordt toegepast op met deeltjes beladen tweefasige stromen, de auteurs waren in staat om een ​​breed scala aan simulaties uit te voeren en een reeks testgevallen te leveren die het ontwerp van scramjet-motoren ondersteunen. Hun analyse onthulde twee geïnduceerde verbrandingsmodi, inclusief een lokale quasi-detonatiemodus die optreedt als gevolg van de vorming van een gebroken golf in combinatie met de chemische reactie.

"De scramjet-motor is de meest gunstige optie voor hogesnelheidsvluchten van Mach zes of meer, " zei Wang. "Het begrijpen van het gecompliceerde fysieke mechanisme van supersonische verbranding en de impact van invallende schokgolven kan ingenieurs helpen bij het kiezen van de beste combinatie van mengen en verbranding door beweegbare componenten in de verbrandingskamer te installeren."