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Jul 27, 2023

Influência do bico injetor extrusado na mistura de combustível e difusão de massa de jatos multicombustíveis no fluxo cruzado supersônico: estudo computacional

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12095 (2023) Citar este artigo 215 Acessos Detalhes das métricas O sistema de injeção eficiente tem um grande papel na execução geral da respiração aérea

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12095 (2023) Citar este artigo

215 Acessos

Detalhes das métricas

O eficiente sistema de injeção tem um grande papel na implementação geral dos sistemas de propulsão respiratórios a ar em fluxo supersônico. Neste trabalho, o uso de multiinjetores extrusados ​​na distribuição e mistura de combustível através do combustor é totalmente investigado. A utilização dos bicos extrusados ​​intensifica consideravelmente a formação de vórtices próximos aos injetores e esta pesquisa procurou visualizar o papel desses vórtices na difusão do jato de combustível através do combustor do scramjet. As influências do espaço do jato na força das circulações produzidas são amplamente discutidas. A simulação do fluxo de ar em alta velocidade movendo a câmara de combustão com bicos extrusados ​​é feita via Dinâmica de Fluidos Computacional. Com base em nossos dados computacionais, o uso de multijatos extrudados aumenta a penetração e difusão do jato cruzado de hidrogênio no fluxo de ar supersônico. Aumentar a distância entre os injetores melhora o desempenho da mistura de combustível em até 27% a jusante dos jatos, principalmente aumentando a penetração lateral do jato de combustível.

O avanço mais significativo na tecnologia de propulsão para acesso ao espaço é a invenção dos motores scramjet1,2,3,4,5. Um veículo de lançamento com motor scramjet poderia funcionar durante parte do vôo intra-atmosférico do lançador com eficácia mais sofisticada do que um foguete semelhante, liberando massa para aumentar a carga útil ou reutilização5,6,7. Para mostrar os altos impactos deste dispositivo em aplicações reais, um scramjet poderia operar em velocidades de hipervelocidade de até Mach 12. Devido a essas vantagens dos motores scramjet, esta técnica tem sido investigada consideravelmente nas últimas décadas. Na verdade, esta é a única técnica conhecida para acessar o espaço sideral. Além disso, esse sistema de propulsão produzia a potência e o empuxo necessários para vôos em alta velocidade8,9,10.

O motor Scramjet inclui quatro estágios principais: Admissão (compressão), difusor; queimador e bocal de exaustão. No primeiro estágio, a pressão do ar supersônico é amplificada e em seguida a mistura do combustível acontece no difusor e o processo de autoignição acontece no queimador e o gás de alta entalpia é exaurido com alto impulso pelo bocal de saída11,12,13 . A principal diferença deste motor com o motor ramjet é a velocidade do ar que entra na câmara de combustão onde ocorre a injeção de combustível e o processo de autoignição14,15,16. No motor ramjet, a velocidade do fluxo de ar reduz-se à velocidade subsônica, embora sua velocidade inicial possa chegar a Mach = 2. Na verdade, a mistura e a ignição acontecem no domínio subsônico . Porém, o fluxo supersônico preservou sua velocidade no combustor do motor scramjet e a injeção de combustível e a progressão da mistura nesta seção acontecem na velocidade supersônica. Essa condição diferente torna esses processos mais complexos e complicados em razão da maior velocidade do ar que entra18,19,20. Na verdade, a alta velocidade do ar limitou o tempo de mistura do combustível, enquanto vários choques ocorreram devido às interações do jato de ar com a pluma do jato. Para resolver estas dificuldades, poucos sistemas práticos foram estabelecidos para preservar a eficiência deste tipo de motor mesmo em velocidades mais elevadas21,22,23.

Conforme mencionado, a distribuição e combustão do combustível é feita na câmara de combustão e o mecanismo de injeção e mistura do combustível acontece através da metodologia de injeção (ativa ou passiva)24,25. No conceito ativo, divisor de vibração, jato pulsado e parede ondulada são os procedimentos convencionais para injeção eficiente de combustível26,27,28. Nestes métodos, é utilizada a excitação forçada de um mecanismo em grande escala. Por outro lado, rampas, misturadores de lóbulos, torneiras, cavidades e palhetas são utilizadas para o disparo do combustível no interior da câmara de combustão. Além disso, o jato transversal e contra fluxo são as duas técnicas mais populares nesta categoria29,30,31.