Brændstofstrøm, varmesvingninger driver farlige svingninger i raketmotorer

Forbrændingsmotorer kan udvikle højfrekvente svingninger, fører til strukturelle skader på motorerne og usikre driftsforhold. En detaljeret forståelse af den fysiske mekanisme, der forårsager disse svingninger er påkrævet, men har manglet indtil nu.

I Væskers fysik , forskning fra Tokyo University of Science og Japan Aerospace Exploration Agency præciserer de feedbackprocesser, der giver anledning til disse svingninger i raketmotorer.

Efterforskerne undersøgte simulerede forbrændingshændelser i en beregningsmodel af en raketforbrænder. Deres analyse involverede sofistikerede teknikker, herunder symbolsk dynamik og brug af komplekse netværk til at forstå overgangen til oscillerende adfærd.

De symbolske dynamiske teknikker tillod forskerne at bestemme ligheder i adfærd mellem to variabler, der kendetegner forbrændingshændelsen. De fandt en sammenhæng mellem udsving i brændstofindsprøjtningens strømningshastighed og udsving i forbrænderens varmeudgivelseshastighed.

En raketmotor bruger injektorer til at levere et brændstof, typisk hydrogengas, H ₂ , og en oxidator, iltgas, O ₂ , til et forbrændingskammer, hvor antændelse og efterfølgende forbrænding af brændstoffet sker.

"Periodisk kontakt med det ubrændte H ₂ /O ₂ blanding med produkter med høj temperatur fra H2 [og] luftflammen giver anledning til betydelige udsving i tændingsstedet, "sagde forfatteren Hiroshi Gotoda.

Svingninger i tændingsstedet frembringer udsving i varmeafgivelseshastigheden, hvilket påvirker trykudsving i brænderen.

"Vi fandt ud af, at udsvingene i varmen og trykudsvingene synkroniseres med hinanden, sagde Gotoda.

Produktet af trykket og udsvingene i varmeudslipningshastigheden i brænderen er en vigtig fysisk størrelse for at forstå oprindelsen til forbrændingsoscillationer. Regioner, hvor dette produkt er større end nul, svarer til akustiske strømkilder, der driver svingningerne.

Efterforskerne opdagede strømkilder i forskydningslaget nær injektorfælgen. Disse strømkilder ville pludselig kollapse og genopstå opstrøms med jævne mellemrum, fører til svingninger ved forbrænding.

"Gentagelsen af ​​dannelsen og sammenbruddet af termoakustiske kildeklynger i det hydrodynamiske forskydningslag mellem det indre oxidationsmiddel og de ydre brændstofstråler spiller en vigtig rolle i at drive forbrændingsoscillationer, sagde Gotoda.

Efterforskerne mener, at deres analysemetode vil føre til en bedre forståelse af de farlige svingninger, der nogle gange opstår i raketmotorer og andre forbrændere.