Het toepassen van schokgolven kan de omstandigheden voor vloeistofmenging in supersonische verbrandingsmotoren verbeteren, de weg vrijmaakt voor vluchten met snelheden die vijf keer sneller zijn dan de snelheid van het geluid.

Ivan Bermejo-Moreno houdt van zijn koffie met een vleugje turbulentie. Maar in plaats van koffie en room te mengen met een lepel, als het gaat om hypersonische straalvliegtuigen - vliegtuigen die vijf keer sneller kunnen vliegen dan geluid - mengt hij graag zuurstof uit de lucht en vliegtuigbrandstof met iets sterkers:schokgolven.

Soortgelijke principes zijn van toepassing op het mengen van vloeistoffen in vliegtuigmotoren, waar zuurstof uit de lucht zich moet vermengen met brandstof om het met een bepaalde snelheid voort te stuwen. USC-onderzoekers van het USC Viterbi Department of Aerospace and Mechanical Engineering, waaronder Xiangyu Gao, een USC Viterbi Ph.D. student die onlangs zijn proefschrift verdedigde, en zijn doctoraatsadviseur, Universitair docent Ivan Bermejo-Moreno, onderzoeken hoe je efficiënt kunt mengen bij hoge snelheden. Door een betere menging kunnen supersonische verbrandingsmotoren - waarin de luchtstroom groter is dan de geluidssnelheid - korter in lengte blijven, terwijl voertuigen hypersonisch kunnen bewegen. Een manier om dit te bereiken is het gebruik van schokgolven.

Een schokgolf wordt gekenmerkt door een abrupte verandering in druk, temperatuur en dichtheid van een medium en beweegt sneller dan de lokale geluidssnelheid. "Zonder een schokgolf toe te passen, vermenging zal optreden, zoals in het voorbeeld met koffie en room, maar het duurt veel langer "Zei Bermejo-Moreno. "Schokgolven versterken turbulentie - vergelijkbaar met een lepel in het koffievoorbeeld - en hoe meer turbulentie je hebt, hoe sneller vermenging kan optreden."

De onderzoekers publiceerden onlangs een studie in de Journal of Fluid Mechanics , die omstandigheden deelt waarin zo'n snelle vermenging - die snellere, efficiëntere voertuigen kunnen voorkomen. Zodra een schokgolf - een plotselinge en sterke verstoring in een medium - wordt geproduceerd, de snelheid van de vloeistof die er doorheen gaat, zal drastisch worden verminderd, waardoor er ook meer tijd is om te mixen. Hierdoor zijn de brandstof en lucht in een betere staat voor verbranding, en zal de temperatuur verhogen, waardoor het gemakkelijker wordt om automatisch te ontsteken, aldus de onderzoekers.

In omstandigheden waar het mengen efficiënt genoeg kan worden uitgevoerd om hypersonische voertuigen te ondersteunen, er zijn tal van implicaties, inclusief commerciële toepassingen voor de verkenning van de ruimte.

Bermejo-Moreno zei:"Stel je voor dat je in plaats van een raket iets lichters en kleiners hebt dat ons helemaal naar Mars zou kunnen brengen. De combinatie van scramjets en roterende detonatiemotoren, beide gebaseerd op schokgolven en turbulentie, kan op een dag precies dat doen."

Het onderzoeksteam omvat ook Johan Larsson, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Maryland. De onderzoekers voerden deze studie uit door massaal parallelle numerieke simulaties uit te voeren op de supercomputers in het High Performance Computing Center van het USC en in het Argonne National Laboratory.

Fundamentele bouwstenen van Flow

De studie isoleerde de fysica die de onderzoekers wilden verkennen door een fundamentele geometrische opstelling te gebruiken - in wezen een doos - en variabelen te verwijderen die verband houden met oppervlaktewrijving op de aard van vloeistof- of luchtstroom. In de studie, de stroom zou van één kant van de doos binnenkomen en een schokgolf tegenkomen die wordt gecreëerd door de druk in de doos zorgvuldig te regelen. Dan verlaat het via de andere kant van de doos, Bermejo-Moreno zei.

"Op deze manier, we hebben de interactie tussen turbulente stromingen en schokgolven geïsoleerd, "Zei Bermejo-Moreno. Terwijl mensen in het verleden de pure interactie van turbulentie en schokgolven hebben bestudeerd, de onderzoekers zeiden dat slechts een paar onderzoeken zich hebben gericht op het mengen in deze configuratie. Schokgolven worden gegenereerd door de grote (supersonische) snelheid van de lucht wanneer deze luchtinlaten tegenkomt, Bermejo-Moreno zei. geometrische doorbuigingen, zoals hoeken, zijn meestal voldoende om schokgolven te produceren.

De onderzoekers bestudeerden een groter aantal parameters dan in eerdere studies, ook, inclusief variaties in inkomende snelheden van luchtstroom. De onderzoekers keken ook naar verschillende niveaus van turbulentie.

"Om turbulentie te visualiseren, denk aan een kraan, "Zei Bermejo-Moreno. "Als de kraan nog maar net aan staat, de stroom is traag, transparant en glad, ook wel laminair genoemd. Maar als je de kraan blijft openen, de snelheid van het water neemt toe. De waterstroom wordt wazig en niet langer transparant - het is wat je turbulent zou noemen. Hetzelfde gebeurt in de lucht en in mengsels van lucht en brandstof die we bespreken in hypersonische voertuigen."

De onderzoekers zeiden dat ze het meest geïnteresseerd zijn in turbulente stromingen, omdat ze het meest representatief zijn voor wat er in werkelijkheid gebeurt. Net zoals wanneer je melk aan je koffie toevoegt en niet roert, zonder een schokgolf, waardoor de turbulentie toeneemt, vermenging zal optreden, maar het zal veel langer duren. In de studie, de onderzoekers ontdekten dat hoewel sommige hoeveelheden die verband houden met mengniveaus na een bepaalde versterking van turbulentie zullen verzadigen, anderen zullen blijven toenemen, wat suggereert dat het mengen blijft verbeteren naarmate de turbulentie toeneemt.

Vervolgens hopen de onderzoekers naar aanvullende geometrieën te kijken en te zien hoe deze invloed hebben op vermenging. "In de toekomst, een van de elementen die we willen onderzoeken, is hoe verschillende vormen van turbulente structuren, ook wel eddies genoemd, de menging beïnvloeden. Bijvoorbeeld, hoe een buisachtige structuur het transport en de vermenging van brandstof en lucht anders kan beïnvloeden dan een plaatachtige structuur. "Als je het type turbulente structuren kent dat dominant is bij het mengen, dan wil je misschien meer van deze structuren maken, ' zei Bermejo-Moreno.