En av de stora utmaningarna inom flyg- och rymdteknik är utvecklingen av hypersoniska fordon som kan färdas vid eller över Mach 5—cirka 4, 000 miles per timme eller snabbare. Dock, Förbränning av flytande bränsle vid dessa hastigheter och atmosfäriska förhållanden är inte väl förstådd.

Söker efter lösningar på överljudsflödesbeteende, forskare från University of Tennessee–Knoxville, och det amerikanska flygvapnet använder neutronröntgen vid Department of Energys (DOEs) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Teamet säger att en bättre förståelse av spraydynamik kommer att leda till förbättrade bränsleinjektordesigner för flyg- och bilindustrin samt andra sprayrelaterade applikationer som används inom jordbruket, läkemedel och tillverkning.

"I hypersoniska system, när du flyger på, säga, 5 Mach, du flyger i princip som 1, 000 meter per sekund, och bränslet måste sprutas in i ett överljudsflöde, som sedan har mindre än en millisekund att bränna, ", sa UT docent Zhili Zhang. "Så vi behöver ett munstycke som är tillräckligt effektivt för att göra detta; men, tyvärr, det finns inget standardmunstycke."

Med hjälp av IMAGING-strållinjen CG-1D vid ORNL:s högflödesisotopreaktor, forskarna designade ett experiment med olika munstyckskonfigurationer för att studera de inre och yttre flödesmönstren före och precis efter att sprayen sprids i förbränningskammaren.

Neutroner är idealiska för den här typen av forskning eftersom de kan se igenom nästan vilket material som helst på ett oförstörande sätt och är känsliga för lätta element som väte och olika kolväten som används i flygbränsle. Mer specifikt, neutronradiografi gjorde det möjligt för teamet att titta igenom metallmunstyckena och observera vätskedensiteter och flödesmönster för att avgöra hur flytande bränsle kan flöda mer effektivt med förbättrade konstruktioner.

"Vi är intresserade av att utveckla en instrumentkapacitet som gör det möjligt för människor att få data om dessa beteenden. Därifrån kommer vi att kunna veta saker om atomisering och temperatur och andra effekter som handlar om förbränningseffektivitet, ", sa UT-forskarassistent Cary Smith. "Ju mer vi kan vetenskapligt förstå dessa saker, desto bättre kommer vi att kunna designa effektiva munstycken för bättre förbränning."

HFIR är en DOE Office of Science User Facility. UT-Battelle hanterar ORNL för DOE:s Office of Science. Office of Science är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysikaliska vetenskaper i USA och arbetar för att ta itu med några av vår tids mest angelägna utmaningar.