In un motore a reazione, il flusso d'aria viene rallentato per aumentare la temperatura e la pressione per la combustione:bruciare carburante con il giusto rapporto tra carburante e aria per vincere la resistenza consente l'accelerazione.

Ma nei motori supersonici che raggiungono la giusta velocità di flusso, produrre il giusto rapporto di combustibile evaporato e provocare l'accensione al momento giusto è più complesso. Con liquido evaporante in camera di combustione, c'è molto di più in gioco oltre alla gravità e alla resistenza, specialmente con onde d'urto supersoniche nell'equazione.

I vortici, le strutture dinamiche create in un flusso turbolento, sono influenzati dall'onda d'urto. Questo cambia il modo in cui il carburante brucia e moltiplica il numero di possibilità di come le particelle possono comportarsi. Per approfondire la nostra comprensione delle dinamiche del flusso supersonico, i ricercatori guardano alla modellazione numerica per calcolare l'enorme varietà di possibili risultati in questo sistema modificato.

Nel loro studio, pubblicato questa settimana in Fisica dei fluidi , Zhaoxin Ren, Bing Wang e Longxi Zheng hanno osservato la combustione supersonica in una serie temporale attraverso la modellazione numerica. Questo ha permesso loro di vedere come cambiano le variabili, come il caricamento di massa di carburante, l'intensità dell'onda d'urto, e i tipi di onde riflettenti e trasmesse create in diversi momenti nel tempo influenzeranno l'accensione.

Sono stati in grado di caratterizzare quantitativamente l'influenza di un'onda d'urto obliqua incidente su vortici di taglio su larga scala e reazioni esotermiche, mappare matematicamente l'influenza delle variabili e i risultanti tipi di onde create in un gas sotto shock. La loro analisi stabilisce un metodo di simulazione affidabile per la combustione supersonica utilizzando strumenti di modellazione matematica progettati specificamente per questo scopo.

"Attualmente, nessun software commerciale può simulare il problema della combustione supersonica perché richiede schemi numerici di ordine elevato per calcolare flussi supersonici con shock evoluti complicati, così come modelli corretti per descrivere la dinamica delle goccioline, entrambi i quali consideriamo attentamente nei nostri codici di simulazione interni, "Wang ha detto, coautore dello studio. "La simulazione numerica diretta può catturare l'intera scala dei flussi coinvolti nell'interazione shock-vortice".

Utilizzando una combinazione di codici di simulazione personalizzati e il metodo euleriano-lagrangiano comunemente applicato a flussi bifase carichi di particelle, gli autori sono stati in grado di eseguire un'ampia gamma di simulazioni e fornire una serie di casi di test che informano la progettazione del motore scramjet. La loro analisi ha rivelato due modalità di combustione indotta, inclusa una modalità di quasi detonazione locale che si verifica a causa della formazione di un'onda rifratta accoppiata alla reazione chimica.

"Il motore scramjet è l'opzione più favorevole per il volo ad alta velocità a Mach sei o più, "Ha detto Wang. "Comprendere il complicato meccanismo fisico della combustione supersonica e l'impatto delle onde d'urto incidenti potrebbe aiutare gli ingegneri a scegliere la migliore combinazione di miscelazione e combustione attraverso l'installazione di componenti mobili nel combustore".