Förbränningskammare under förbränningsoscillationer i en modellraketmotor. Kredit:Hiroshi Gottoda
Förbränningsmotorer kan utveckla högfrekventa svängningar, leder till strukturella skador på motorerna och osäkra driftsförhållanden. En detaljerad förståelse av den fysiska mekanismen som orsakar dessa svängningar krävs men har saknats fram till nu.
I Vätskors fysik , forskning från Tokyo University of Science och Japan Aerospace Exploration Agency klargör de återkopplingsprocesser som ger upphov till dessa svängningar i raketmotorer.
Utredarna studerade simulerade förbränningshändelser i en beräkningsmodell av en raketbrännare. Deras analys involverade sofistikerade tekniker, inklusive symbolisk dynamik och användningen av komplexa nätverk för att förstå övergången till oscillerande beteende.
Teknikerna för symbolisk dynamik gjorde det möjligt för forskarna att fastställa likheter i beteendet mellan två variabler som kännetecknar förbränningshändelsen. De fann ett samband mellan fluktuationer i bränsleinjektorns flödeshastighet och fluktuationer i brännarens värmeavgivningshastighet.
En raketmotor använder injektorer för att leverera ett bränsle, typiskt vätgas, H 2 , och ett oxidationsmedel, syrgas, O 2 , till en förbränningskammare där antändning och efterföljande förbränning av bränslet sker.
"Periodisk kontakt med det oförbrända H 2 /O 2 blandning med högtemperaturprodukter av H2 [och] luftlågan ger upphov till betydande fluktuationer i antändningsplatsen, " sa författaren Hiroshi Gottoda.
Fluktuationer i antändningsplatsen ger fluktuationer i värmeavgivningshastigheten, vilket påverkar tryckfluktuationer i brännaren.
"Vi fann att värmeavgivningsfluktuationerna och tryckfluktuationerna synkroniseras med varandra, " sa Gottoda.
Produkten av tryck- och värmeavgivningshastighetsfluktuationerna i brännkammaren är en viktig fysisk storhet för att förstå ursprunget till förbränningsoscillationer. Områden där denna produkt är större än noll motsvarar akustiska kraftkällor som driver svängningarna.
Utredarna upptäckte kraftkällor i skjuvskiktet nära injektorkanten. Dessa kraftkällor skulle plötsligt kollapsa och dyka upp igen uppströms på ett periodiskt sätt, leder till svängningar vid förbränning.
"Upprepningen av bildningen och kollapsen av termakustiska källkluster i det hydrodynamiska skjuvskiktsområdet mellan den inre oxidatorn och de yttre bränslestrålarna spelar en viktig roll för att driva förbränningsoscillationer, " sa Gottoda.
Utredarna tror att deras analysmetod kommer att leda till en bättre förståelse av de farliga svängningar som ibland uppstår i raketmotorer och andra förbrännare.
