Chokbølger kan give det stød, der skal til for at nå Mars

Anvendelse af stødbølger kan forbedre betingelserne for væskeblanding i supersoniske forbrændingsmotorer, baner vejen for flyvninger med hastigheder fem gange hurtigere end lydens hastighed.

Ivan Bermejo-Moreno kan lide sin kaffe med et strejf af turbulens. Men i stedet for at blande kaffe og fløde med en ske, når det kommer til hypersoniske jetfly – fly, der kan flyve fem gange hurtigere end lyd – kan han godt lide at blande ilt fra luften og jetbrændstof ved at bruge noget lidt stærkere:chokbølger.

Lignende principper styrer væskeblanding i flymotorer, hvor ilt fra luften skal blandes med brændstof for at hjælpe med at drive den frem med en bestemt hastighed. USC-forskere i USC Viterbi Department of Aerospace and Mechanical Engineering, herunder Xiangyu Gao, en USC Viterbi Ph.D. studerende, der for nylig forsvarede sin afhandling, og hans ph.d.-vejleder, Adjunkt Ivan Bermejo-Moreno, undersøger, hvordan man opnår effektiv blanding ved høje hastigheder. Bedre blanding gør det muligt for supersoniske forbrændingsmotorer - hvor luftstrømmen er større end lydens hastighed - at forblive kortere i længden, mens de gør det muligt for køretøjer at bevæge sig hypersonligt. En tilgang til at opnå dette er at bruge chokbølger.

En chokbølge er karakteriseret ved en brat trykændring, temperatur og tæthed af et medium og bevæger sig hurtigere end den lokale lydhastighed. "Uden at påføre en chokbølge, blanding vil forekomme, som i eksemplet med kaffe og fløde, men det vil tage meget længere tid, " sagde Bermejo-Moreno. "Stødbølger forstærker turbulens - svarende til en ske i kaffeeksemplet - og jo mere turbulens du har, jo hurtigere kan blanding forekomme."

Forskerne har for nylig offentliggjort en undersøgelse i Journal of Fluid Mechanics , som deler forhold, hvor en sådan hurtig blanding - som understøtter hurtigere, mere effektive køretøjer – kan forekomme. Når en chokbølge - en pludselig og stærk forstyrrelse i et medie - frembringes, hastigheden af ​​væsken, der passerer gennem den, vil blive drastisk reduceret, giver også mere tid til at blande. Dette sætter brændstof og luft i en bedre forbrændingstilstand, og vil øge temperaturen, gør det nemmere at selvantænde, sagde forskerne.

Under forhold, hvor blanding kan håndteres effektivt nok til at understøtte hypersoniske køretøjer, der er mange implikationer, herunder kommercielle applikationer til udforskning af rummet.

Sagde Bermejo-Moreno:"Forestil dig, at du i stedet for en raket har noget lettere og mindre, der kunne tage os hele vejen til Mars. Kombinationen af ​​scramjetfly og roterende detonationsmotorer, både baseret på chokbølger og turbulens, måske en dag gøre netop det."

Forskerholdet omfatter også Johan Larsson, lektor i maskinteknik ved University of Maryland. Forskerne udførte denne undersøgelse ved at udføre massivt parallelle numeriske simuleringer på supercomputere ved USC's High Performance Computing Center og ved Argonne National Laboratory.

Flows grundlæggende byggesten

Undersøgelsen isolerede den fysik, som forskerne var interesserede i at udforske ved at bruge en grundlæggende geometrisk opsætning - i det væsentlige en boks - og fjerne variabler relateret til overfladefriktion på arten af ​​væske eller luftstrøm. I undersøgelsen, strømmen ville komme ind fra den ene side af kassen og støde på en chokbølge skabt ved omhyggeligt at kontrollere trykket inde i kassen. Så kommer den ud gennem den modsatte side af kassen, sagde Bermejo-Moreno.

"På denne måde vi isolerede samspillet mellem turbulente strømme og chokbølger, " sagde Bermejo-Moreno. Mens folk tidligere har studeret det rene samspil mellem turbulens og chokbølger, forskerne sagde, at kun få undersøgelser har fokuseret på blanding i denne konfiguration. Stødbølger genereres af luftens store (overpersoniske) hastighed, når den møder luftindtag, sagde Bermejo-Moreno. Geometriske afbøjninger, som hjørner, er normalt nok til at producere chokbølger.

Forskerne studerede en større række parametre end i tidligere undersøgelser, såvel, herunder variationer i den indgående luftstrømshastighed. Forskerne så også på forskellige niveauer af turbulens.

"For at visualisere turbulens, overveje en vandhane, " sagde Bermejo-Moreno. "Når vandhanen knap er tændt, strømmen er langsom, gennemsigtig og glat - kendt som laminær. Men mens du bliver ved med at åbne vandhanen, vandets hastighed stiger. Vandstrømmen bliver sløret og ikke længere gennemsigtig - det er, hvad man vil kalde turbulent. Det samme sker i luften og i blandinger af luft og brændstof, vi diskuterer i hypersoniske køretøjer."

Forskerne sagde, at de er mest interesserede i turbulente strømme, fordi de er mest repræsentative for, hvad der faktisk sker i virkeligheden. Ligesom når du tilføjer mælk til din kaffe og ikke rører i den, uden en chokbølge, hvilket øger turbulensen, blanding vil forekomme, men det vil tage meget længere tid. I undersøgelsen, forskerne fandt ud af, at mens nogle mængder relateret til blandingsniveauer vil mættes efter en vis forstærkning af turbulens, andre vil blive ved med at stige, tyder på, at blandingen fortsætter med at forbedres, efterhånden som turbulensen øges.

Dernæst håber forskerne at se på yderligere geometrier og se, hvordan disse påvirker blandingen. "I fremtiden, et af de elementer, vi ønsker at undersøge, er, hvordan forskellige former for turbulente strukturer - kendt som hvirvler - påvirker blandingen. For eksempel, hvordan en rørlignende struktur kan påvirke transporten og blandingen af ​​brændstof og luft anderledes end en pladelignende struktur. "Hvis du kender typen af ​​turbulente strukturer, der er dominerende i blanding, så ønsker du måske at producere flere af disse strukturer, " sagde Bermejo-Moreno.