Camera di combustione durante le oscillazioni di combustione in un modello di motore a razzo. Credito:Hiroshi Gotoda
I motori a combustione possono sviluppare oscillazioni ad alta frequenza, causando danni strutturali ai motori e condizioni operative non sicure. È necessaria una comprensione dettagliata del meccanismo fisico che causa queste oscillazioni, ma finora è mancata.
In Fisica dei fluidi , una ricerca della Tokyo University of Science e della Japan Aerospace Exploration Agency chiarisce i processi di feedback che danno origine a queste oscillazioni nei motori a razzo.
I ricercatori hanno studiato eventi di combustione simulati in un modello computazionale di un combustore a razzo. La loro analisi ha coinvolto tecniche sofisticate, comprese le dinamiche simboliche e l'uso di reti complesse per comprendere la transizione al comportamento oscillatorio.
Le tecniche di dinamica simbolica hanno permesso agli scienziati di determinare somiglianze nel comportamento tra due variabili che caratterizzano l'evento di combustione. Hanno trovato una relazione tra le fluttuazioni nella velocità del flusso dell'iniettore di carburante e le fluttuazioni nella velocità di rilascio del calore del combustore.
Un motore a razzo utilizza iniettori per fornire un carburante, tipicamente idrogeno, h 2 , e un ossidante, ossigeno gassoso, oh 2 , ad una camera di combustione dove avviene l'accensione e la successiva combustione del combustibile.
"Contatto periodico degli incombusti H 2 /O 2 la miscela con prodotti ad alta temperatura della fiamma dell'aria H2 [e] dà luogo a fluttuazioni significative nel luogo di accensione, " ha detto l'autore Hiroshi Gotoda.
Le fluttuazioni nella posizione di accensione producono fluttuazioni nella velocità di rilascio del calore, che influenza le fluttuazioni di pressione nel combustore.
"Abbiamo scoperto che le fluttuazioni del rilascio di calore e le fluttuazioni della pressione si sincronizzano tra loro, " disse Gotoda.
Il prodotto delle fluttuazioni della pressione e della velocità di rilascio del calore nel combustore è una grandezza fisica importante per comprendere l'origine delle oscillazioni di combustione. Le regioni in cui questo prodotto è maggiore di zero corrispondono a fonti di energia acustica che guidano le oscillazioni.
Gli investigatori hanno scoperto fonti di energia nello strato di taglio vicino al bordo dell'iniettore. Queste fonti di energia crollerebbero improvvisamente e riemergerebbero a monte in modo periodico, provocando oscillazioni nella combustione.
"La ripetizione della formazione e del collasso di gruppi di sorgenti termoacustiche nella regione dello strato di taglio idrodinamico tra l'ossidante interno e i getti di carburante esterni svolge un ruolo importante nel guidare le oscillazioni di combustione, " disse Gotoda.
Gli investigatori ritengono che il loro metodo di analisi porterà a una migliore comprensione delle pericolose oscillazioni che a volte si verificano nei motori a razzo e in altri combustori.
