Influence de la buse d'injecteur extrudée sur le mélange de carburant et la diffusion de masse des jets multi-carburants dans l'écoulement transversal supersonique : étude informatique

Jul 17, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12095 (2023) Citer cet article

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Le système d’injection efficace joue un grand rôle dans la mise en œuvre globale des systèmes de propulsion respiratoire à débit supersonique. Dans ce travail, l'utilisation de multi-injecteurs extrudés dans la distribution et le mélange du carburant à travers la chambre de combustion est entièrement étudiée. L'utilisation de buses extrudées intensifie considérablement la formation des tourbillons à proximité des injecteurs et cette recherche a tenté de visualiser le rôle de ces tourbillons sur la diffusion du jet de carburant à travers la chambre de combustion du scramjet. Les influences de l'espace des jets sur la force des circulations produites sont discutées en détail. La simulation du flux d'air à grande vitesse déplaçant la chambre de combustion avec des buses extrudées est réalisée via la dynamique des fluides computationnelle. Sur la base de nos données informatiques, l’utilisation de multi-jets extrudés améliore la pénétration et la diffusion du jet croisé d’hydrogène dans un flux d’air supersonique. L'augmentation de l'écart entre les injecteurs améliore les performances de mélange du carburant jusqu'à 27 % en aval des jets, principalement en améliorant la pénétration latérale du jet de carburant.

L’avancée la plus significative dans la technologie de propulsion pour accéder à l’espace est l’invention des moteurs scramjet1,2,3,4,5. Un lanceur équipé d'un moteur scramjet pourrait fonctionner sur une partie du vol intra-atmosphérique du lanceur avec une efficacité plus sophistiquée qu'une fusée similaire en libérant de la masse pour une charge utile accrue ou une réutilisation5,6,7. Pour montrer les impacts élevés de ce dispositif dans des applications réelles, un scramjet pourrait fonctionner à des vitesses hypervitesses allant jusqu'à Mach 12. En raison de ces avantages des moteurs scramjet, cette technique a été considérablement étudiée au cours des dernières décennies. En fait, c’est la seule technique connue pour accéder à l’espace. De plus, ce système de propulsion produisait la puissance et la poussée requises pour un vol à grande vitesse8,9,10.

Le moteur Scramjet comprend quatre étages principaux : admission (compression), diffuseur ; brûleur et buse d'échappement. Dans la première étape, la pression de l'air supersonique est amplifiée, puis le mélange de carburant se produit dans le diffuseur et le processus d'auto-allumage se produit dans le brûleur et le gaz à haute enthalpie est évacué avec une impulsion élevée de la buse de sortie11,12,13. . La principale différence entre ce moteur et le statoréacteur est la vitesse de l'air entrant à l'intérieur de la chambre de combustion où se produisent le processus d'injection de carburant et d'auto-allumage14,15,16. Dans le statoréacteur, la vitesse du flux d'air se réduit à une vitesse subsonique bien que sa vitesse initiale puisse atteindre Mach = 2. En fait, le mélange et l'allumage se produisent dans le domaine subsonique17. Cependant, le flux supersonique a conservé sa vitesse dans la chambre de combustion du moteur scramjet et la progression de l'injection et du mélange de carburant dans cette section se produit à la vitesse supersonique. Cette condition différente rend ces processus plus complexes et compliqués en raison de la vitesse plus élevée de l’air entrant18,19,20. En fait, la vitesse élevée de l'air limitait le temps de mélange du carburant tandis que plusieurs chocs se produisaient en raison des interactions du jet d'air avec le panache du jet. Pour résoudre ces difficultés, peu de systèmes pratiques ont été mis en place pour préserver l'efficacité de ce type de moteur même à des vitesses plus élevées21,22,23.

Comme mentionné, la distribution et la combustion du carburant se font dans la chambre de combustion et le mécanisme d'injection et de mélange du carburant se fait via la méthodologie d'injection (active ou passive)24,25. Dans le concept actif, le séparateur de vibrations, le jet pulsé et la paroi ondulée constituent la procédure conventionnelle pour une injection efficace de carburant26,27,28. Dans ces méthodes, l'excitation forcée d'un mécanisme à grande échelle est utilisée. D'autre part, des rampes, des mélangeurs à lobes, des robinets, des cavités et des aubes sont utilisés pour l'injection du carburant à l'intérieur de la chambre de combustion. Par ailleurs, le jet transversal et le jet à contre-courant sont les deux techniques les plus populaires dans cette catégorie29,30,31.