I en jetmotor, luftflödet saktas ner för att öka temperaturen och trycket för förbränning – förbränning av bränsle med rätt förhållande mellan bränsle och luft för att erövra motståndet möjliggör acceleration.

Men i överljudsmotorer som uppnår rätt flödeshastighet, att producera rätt förhållande av förångat bränsle och orsaka antändning vid rätt tidpunkt är mer komplicerat. Med förångande vätska i en förbränningskammare, det finns mer på spel än bara gravitation och motstånd, speciellt med överljudschockvågor i ekvationen.

Virvlar – de dynamiska strukturerna som skapas i ett turbulent flöde – påverkas av stötvågen. Detta förändrar hur bränslet förbränns och multiplicerar antalet möjligheter för hur partiklar kan bete sig. För att fördjupa vår förståelse av dynamiken i överljudsflöde, forskare tittar på numerisk modellering för att beräkna den enorma variationen av möjliga resultat i detta förändrade system.

I deras studie, publiceras denna vecka i Vätskors fysik , Zhaoxin Ren, Bing Wang och Longxi Zheng såg överljudsförbränning i en tidsserie genom numerisk modellering. Detta gjorde det möjligt för dem att se hur förändrade variabler, såsom masslastning av bränsle, intensiteten av stötvågen, och de typer av reflekterande och överförda vågor som skapas vid olika tidpunkter kommer att påverka antändningen.

De kunde kvantitativt karakterisera inverkan av en infallande sned stötvåg på storskaliga skjuvvirvlar och exotermiska reaktioner, matematisk kartläggning av påverkan av variabler och de resulterande typerna av vågor som skapas i en chockad gas. Deras analys etablerar en tillförlitlig simuleringsmetod för överljudsförbränning med hjälp av matematiska modelleringsverktyg speciellt utformade för detta ändamål.

"För närvarande, ingen kommersiell programvara kan simulera överljudsförbränningsproblemet eftersom det kräver numeriska scheman av hög ordning för att beräkna överljudsflöden med komplicerade utvecklade stötar, samt korrigerade modeller för att beskriva droppdynamiken, båda som vi noggrant överväger i våra interna simuleringskoder, "Wang sa, en medförfattare till studien. "Direkt numerisk simulering kan fånga hela skalan av flöden som är involverade i chock-virvelinteraktionen."

Genom att använda en kombination av anpassade simuleringskoder och Eulerian-Lagrangian-metoden som vanligtvis används för partikelladdade tvåfasflöden, författarna kunde köra ett brett utbud av simuleringar och tillhandahålla en serie testfall som informerar scramjetmotorns design. Deras analys avslöjade två inducerade förbränningslägen, inklusive ett lokalt kvasi-detonationsläge som uppstår på grund av bildandet av en brytvåg kopplad med den kemiska reaktionen.

"Scramjetmotorn är det mest fördelaktiga alternativet för höghastighetsflyg vid Mach sex eller mer, "Att förstå den komplicerade fysiska mekanismen för överljudsförbränning och påverkan av infallande stötvågor kan hjälpa ingenjörer att välja den bästa kombinationen av blandning och förbränning genom att installera rörliga komponenter i brännaren."