L'applicazione delle onde d'urto può migliorare le condizioni per la miscelazione dei fluidi nei motori a combustione supersonici, aprendo la strada a voli a velocità cinque volte superiori a quella del suono.

Ivan Bermejo-Moreno ama il suo caffè con un tocco di turbolenza. Ma invece di mescolare caffè e panna con un cucchiaio, quando si tratta di aerei a reazione ipersonici, aerei che possono volare cinque volte più veloci del suono, gli piace mescolare l'ossigeno dall'aria e il carburante degli aerei usando qualcosa di un po' più forte:le onde d'urto.

Principi simili regolano la miscelazione dei fluidi nei motori degli aerei, dove l'ossigeno dall'aria deve mescolarsi con il carburante per aiutarlo a spingerlo a una certa velocità. Ricercatori USC presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica USC Viterbi, compreso Xiangyu Gao, un dottorato di ricerca USC Viterbi studente che ha recentemente difeso la sua tesi, e il suo relatore di dottorato, Professore assistente Ivan Bermejo-Moreno, stanno studiando come ottenere una miscelazione efficiente ad alte velocità. Una migliore miscelazione consente ai motori a combustione supersonici, in cui il flusso d'aria è maggiore della velocità del suono, di rimanere più corti mentre consente ai veicoli di muoversi in modo ipersonico. Un approccio per raggiungere questo obiettivo è utilizzare le onde d'urto.

Un'onda d'urto è caratterizzata da un brusco cambiamento di pressione, temperatura e densità di un mezzo e si muove più velocemente della velocità locale del suono. "Senza applicare un'onda d'urto, si verificherà la miscelazione, come nell'esempio con caffè e panna, ma ci vorrà molto più tempo, " Bermejo-Moreno ha detto. "Le onde d'urto amplificano la turbolenza - simile a un cucchiaio nell'esempio del caffè - e più turbolenza hai, più rapidamente può avvenire la miscelazione."

I ricercatori hanno recentemente pubblicato uno studio in Journal of Fluid Mechanics , che condivide le condizioni in cui tale miscelazione rapida, che supporta più velocemente, possono verificarsi veicoli più efficienti. Una volta prodotta un'onda d'urto, un disturbo improvviso e forte in un mezzo, la velocità del fluido che lo attraversa sarà drasticamente ridotta, concedendo anche più tempo per la miscelazione. Questo mette il carburante e l'aria in una condizione migliore per la combustione, e aumenterà la temperatura, rendendo più facile l'autoaccensione, hanno detto i ricercatori.

In condizioni in cui la miscelazione può essere gestita in modo abbastanza efficiente da supportare veicoli ipersonici, ci sono numerose implicazioni, comprese le applicazioni commerciali per l'esplorazione dello spazio.

Disse Bermejo-Moreno:"Immagina invece di un razzo di avere qualcosa di più leggero e più piccolo che potrebbe portarci fino a Marte. La combinazione di jet scram e motori a detonazione rotanti, entrambi basati su onde d'urto e turbolenza, possa un giorno fare proprio questo."

Il team di ricerca comprende anche Johan Larsson, professore associato di ingegneria meccanica presso l'Università del Maryland. I ricercatori hanno condotto questo studio eseguendo simulazioni numeriche parallele sui supercomputer dell'High Performance Computing Center della USC e dell'Argonne National Laboratory.

Elementi fondamentali del flusso

Lo studio ha isolato la fisica che i ricercatori erano interessati a esplorare utilizzando una configurazione geometrica fondamentale, essenzialmente una scatola, e rimuovendo le variabili relative all'attrito superficiale sulla natura del fluido o del flusso d'aria. Nello studio, il flusso sarebbe entrato da un lato della scatola e avrebbe incontrato un'onda d'urto creata controllando attentamente la pressione all'interno della scatola. Quindi esce attraverso il lato opposto della scatola, ha detto Bermejo-Moreno.

"In questo modo, abbiamo isolato l'interazione tra flussi turbolenti e onde d'urto, " ha detto Bermejo-Moreno. Mentre le persone hanno studiato la pura interazione di turbolenza e onde d'urto in passato, i ricercatori hanno affermato che solo pochi studi si sono concentrati sulla miscelazione in questa configurazione. Le onde d'urto sono generate dalla grande velocità (supersonica) dell'aria quando incontra le prese d'aria, ha detto Bermejo-Moreno. deviazioni geometriche, come angoli, di solito sono sufficienti per produrre onde d'urto.

I ricercatori hanno studiato una gamma più ampia di parametri rispetto agli studi precedenti, anche, comprese le variazioni delle velocità in entrata del flusso d'aria. I ricercatori hanno anche esaminato diversi livelli di turbolenza.

"Per visualizzare la turbolenza, considera un rubinetto, " disse Bermejo-Moreno. "Quando il rubinetto è appena aperto, il flusso è lento, trasparente e liscio, noto come laminare. Ma mentre continui ad aprire il rubinetto, la velocità dell'acqua aumenta. Il flusso d'acqua diventa sfocato e non più trasparente:è quello che chiameresti turbolento. La stessa cosa accade nell'aria e nelle miscele di aria e carburante di cui discutiamo nei veicoli ipersonici".

I ricercatori hanno affermato di essere più interessati ai flussi turbolenti, perché sono i più rappresentativi di ciò che sta realmente accadendo nella realtà. Proprio come quando aggiungi il latte al caffè e non lo mescoli, senza un'onda d'urto, che aumenta la turbolenza, la miscelazione avverrà ma ci vorrà molto più tempo. Nello studio, i ricercatori hanno scoperto che mentre alcune quantità relative ai livelli di miscelazione si saturano dopo una certa amplificazione della turbolenza, altri continueranno ad aumentare, suggerendo che la miscelazione continua a migliorare con l'aumentare della turbolenza.

Successivamente i ricercatori sperano di esaminare ulteriori geometrie e vedere come queste influiscono sulla miscelazione. "Nel futuro, uno degli elementi che vogliamo indagare è come le diverse forme di strutture turbolente, note come vortici, influenzino la miscelazione. Ad esempio, come una struttura a tubo potrebbe influenzare il trasporto e la miscelazione di carburante e aria in modo diverso rispetto a una struttura a foglio. "Se conosci il tipo di strutture turbolente che sono dominanti nella miscelazione, allora potresti voler produrre più di queste strutture, " ha detto Bermejo-Moreno.