Verbrandingsmotoren kunnen hoogfrequente trillingen ontwikkelen, leidend tot structurele schade aan de motoren en onveilige bedrijfsomstandigheden. Een gedetailleerd begrip van het fysieke mechanisme dat deze oscillaties veroorzaakt, is vereist, maar ontbrak tot nu toe.

In Fysica van vloeistoffen , onderzoek van de Tokyo University of Science en het Japan Aerospace Exploration Agency verduidelijkt de feedbackprocessen die aanleiding geven tot deze trillingen in raketmotoren.

De onderzoekers bestudeerden gesimuleerde verbrandingsgebeurtenissen in een computermodel van een raketverbrandingsinstallatie. Hun analyse omvatte geavanceerde technieken, inclusief symbolische dynamiek en het gebruik van complexe netwerken om de overgang naar oscillerend gedrag te begrijpen.

Dankzij de symbolische dynamische technieken konden de wetenschappers overeenkomsten in gedrag vaststellen tussen twee variabelen die de verbrandingsgebeurtenis kenmerken. Ze vonden een verband tussen fluctuaties in de stroomsnelheid van de brandstofinjector en fluctuaties in de warmteafgiftesnelheid van de verbrander.

Een raketmotor gebruikt injectoren om brandstof te leveren, typisch waterstofgas, H ₂ , en een oxidatiemiddel, zuurstof gas, O ₂ , naar een verbrandingskamer waar de ontsteking en daaropvolgende verbranding van de brandstof plaatsvindt.

"Periodiek contact van de onverbrande H ₂ /O ₂ mengsel met producten van hoge temperatuur van de H2 [en] luchtvlam geeft aanleiding tot aanzienlijke schommelingen in de plaats van ontsteking, " zei auteur Hiroshi Gotoda.

Fluctuaties in de ontstekingsplaats veroorzaken fluctuaties in de warmteafgiftesnelheid, die de drukschommelingen in de verbrandingskamer beïnvloedt.

"We ontdekten dat de schommelingen in de warmteafgifte en de drukschommelingen met elkaar synchroniseren, ’ zei Gotoda.

Het product van de druk- en de warmteafgiftesnelheidsfluctuaties in de verbrander is een belangrijke fysische grootheid om de oorsprong van verbrandingsoscillaties te begrijpen. Regio's waar dit product groter is dan nul komen overeen met akoestische stroombronnen die de trillingen aandrijven.

De onderzoekers ontdekten stroombronnen in de afschuiflaag bij de injectorrand. Deze krachtbronnen zouden plotseling instorten en stroomopwaarts op een periodieke manier weer opduiken, wat leidt tot trillingen in de verbranding.

"De herhaling van de vorming en ineenstorting van thermo-akoestische bronclusters in het hydrodynamische afschuiflaaggebied tussen de binnenste oxidator en buitenste brandstofstralen speelt een belangrijke rol bij het aansturen van verbrandingsoscillaties, ’ zei Gotoda.

De onderzoekers denken dat hun analysemethode zal leiden tot een beter begrip van de gevaarlijke trillingen die soms optreden in raketmotoren en andere verbranders.