Att applicera stötvågor kan förbättra förhållandena för vätskeblandning i överljudsförbränningsmotorer, banar väg för flygningar med fem gånger högre hastighet än ljudets hastighet.

Ivan Bermejo-Moreno gillar sitt kaffe med en touch av turbulens. Men istället för att blanda kaffe och grädde med en sked, när det kommer till hypersoniska jetplan – flygplan som kan flyga fem gånger snabbare än ljud – gillar han att blanda syre från luften och flygbränsle med något lite starkare:stötvågor.

Liknande principer styr vätskeblandning i flygplansmotorer, där syre från luften måste blandas med bränsle för att hjälpa till att driva det med en viss hastighet. USC-forskare vid USC Viterbi Department of Aerospace and Mechanical Engineering, inklusive Xiangyu Gao, en USC Viterbi Ph.D. student som nyligen disputerade, och hans doktorandrådgivare, biträdande professor Ivan Bermejo-Moreno, studerar hur man uppnår effektiv blandning vid höga hastigheter. Bättre blandning gör att överljudsförbränningsmotorer – där luftflödet är större än ljudets hastighet – förblir kortare i längd samtidigt som fordonen kan röra sig hypersoniskt. Ett sätt att uppnå detta är att använda stötvågor.

En stötvåg kännetecknas av en abrupt tryckförändring, temperatur och densitet hos ett medium och rör sig snabbare än den lokala ljudhastigheten. "Utan att applicera en stötvåg, blandning kommer att ske, som i exemplet med kaffe och grädde, men det kommer att ta mycket längre tid, ", sa Bermejo-Moreno. "Chockvågor förstärker turbulensen – liknande en sked i kaffeexemplet – och ju mer turbulens du har, desto snabbare kan blandning ske."

Forskarna publicerade nyligen en studie i Journal of Fluid Mechanics , som delar förhållanden under vilka sådan snabb blandning – som stöder snabbare, effektivare fordon—kan förekomma. När en chockvåg – en plötslig och kraftig störning i ett medium – produceras, hastigheten på vätskan som passerar genom den kommer att minska drastiskt, ger också mer tid för blandning. Detta gör att bränslet och luften blir bättre för förbränning, och kommer att öka temperaturen, gör det lättare att självantända, sa forskarna.

Under förhållanden där blandning kan hanteras tillräckligt effektivt för att stödja hypersoniska fordon, det finns många konsekvenser, inklusive kommersiella tillämpningar för utforskning av rymden.

Bermejo-Moreno sa:"Föreställ dig istället för en raket att du har något lättare och mindre som kan ta oss hela vägen till Mars. Kombinationen av scramjets och roterande detonationsmotorer, både baserat på chockvågor och turbulens, kanske en dag gör just det."

I forskargruppen ingår även Johan Larsson, docent i maskinteknik vid University of Maryland. Forskarna genomförde denna studie och utförde massivt parallella numeriska simuleringar på superdatorerna vid USC:s High Performance Computing Center och vid Argonne National Laboratory.

Grundläggande byggstenar för flöde

Studien isolerade fysiken som forskarna var intresserade av att utforska genom att använda en grundläggande geometrisk uppsättning - i huvudsak en låda - och ta bort variabler relaterade till ytfriktion på typen av vätska eller luftflöde. I studien, flödet skulle komma in från ena sidan av lådan och stöta på en stötvåg skapad genom att noggrant kontrollera trycket inuti lådan. Sedan går den ut genom den motsatta sidan av lådan, sa Bermejo-Moreno.

"På det här sättet, vi isolerade interaktionen mellan turbulenta flöden och stötvågor, ", sa Bermejo-Moreno. Medan människor har studerat den rena interaktionen av turbulens och stötvågor tidigare, forskarna sa att endast ett fåtal studier har fokuserat på att blanda i denna konfiguration. Stötvågor genereras av luftens stora (överpersoniska) hastighet när den möter luftintag, sa Bermejo-Moreno. Geometriska avböjningar, som hörn, är vanligtvis tillräckligt för att producera stötvågor.

Forskarna studerade ett större antal parametrar än i tidigare studier, också, inklusive variationer i inkommande luftflödeshastigheter. Forskarna tittade också på olika nivåer av turbulens.

"För att visualisera turbulens, överväga en kran, " sa Bermejo-Moreno. "När kranen knappt är på, flödet är långsamt, transparent och slät – känd som laminär. Men när du fortsätter att öppna kranen, vattnets hastighet ökar. Vattenströmmen blir suddig och inte längre genomskinlig – det är vad man skulle kalla turbulent. Samma sak händer i luften och i blandningar av luft och bränsle som vi diskuterar i hypersoniska fordon."

Forskarna sa att de är mest intresserade av turbulenta flöden, eftersom de är mest representativa för vad som faktiskt händer i verkligheten. Precis som när du tillsätter mjölk till ditt kaffe och inte rör om det, utan en chockvåg, vilket ökar turbulensen, blandning kommer att ske men det tar mycket längre tid. I studien, forskarna fann att medan vissa kvantiteter relaterade till blandningsnivåer kommer att mättas efter en viss förstärkning av turbulens, andra kommer att fortsätta öka, vilket tyder på att blandningen fortsätter att förbättras när turbulensen ökar.

Därefter hoppas forskarna kunna titta på ytterligare geometrier och se hur dessa påverkar blandningen. "I framtiden, ett av de element vi vill undersöka är hur olika former av turbulenta strukturer – så kallade virvlar – påverkar blandningen. Till exempel, hur en rörliknande struktur kan påverka transporten och blandningen av bränsle och luft annorlunda än en arkliknande struktur. "Om du vet vilken typ av turbulenta strukturer som är dominerande vid blandning, då kanske du vill producera fler av dessa strukturer, " sa Bermejo-Moreno.