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Jul 27, 2023

Influenza dell'ugello dell'iniettore estruso sulla miscelazione del carburante e sulla diffusione di massa di getti multicarburante nel flusso incrociato supersonico: studio computazionale

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 12095 (2023) Cita questo articolo 215 Accessi Dettagli metriche L'efficiente sistema di iniezione ha un ruolo importante nell'attuazione complessiva della respirazione dell'aria

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L'efficiente sistema di iniezione ha un ruolo importante nell'attuazione complessiva dei sistemi di propulsione respiratoria a flusso supersonico. In questo lavoro viene studiato in modo approfondito l'utilizzo di multi-iniettori estrusi nella distribuzione e miscelazione del carburante attraverso il combustore. L'utilizzo degli ugelli estrusi intensifica notevolmente la formazione dei vortici in prossimità degli iniettori e questa ricerca ha cercato di visualizzare il ruolo di questi vortici sulla diffusione del getto di carburante attraverso il combustore dello scramjet. Le influenze dello spazio dei getti sulla forza delle circolazioni prodotte sono ampiamente discusse. La simulazione del flusso d'aria ad alta velocità che muove la camera di combustione con ugelli estrusi viene effettuata tramite fluidodinamica computazionale. Sulla base dei nostri dati computazionali, l’uso di multigetti estrusi migliora la penetrazione e la diffusione del getto incrociato dell’idrogeno nel flusso d’aria supersonico. L’aumento della distanza tra gli iniettori migliora le prestazioni di miscelazione del carburante fino al 27% a valle dei getti, principalmente migliorando la penetrazione laterale del getto di carburante.

Il progresso più significativo nella tecnologia di propulsione per l'accesso allo spazio è l'invenzione dei motori scramjet1,2,3,4,5. Un veicolo di lancio con un motore scramjet potrebbe funzionare su parte del volo intraatmosferico del lanciatore con un'efficacia più sofisticata rispetto a un razzo simile rilasciando massa per un maggiore carico utile o riusabilità5,6,7. Per mostrare l'elevato impatto di questo dispositivo nelle applicazioni reali, uno scramjet potrebbe funzionare a velocità iperveloci fino a Mach 12. Grazie a questi vantaggi dei motori scramjet, questa tecnica è stata studiata notevolmente negli ultimi decenni. In realtà, questa è l'unica tecnica conosciuta per accedere allo spazio. Inoltre, questo sistema di propulsione produceva la potenza e la spinta necessarie per il volo ad alta velocità8,9,10.

Il motore Scramjet comprende quattro fasi principali: ingresso (compressione), diffusore; bruciatore e ugello di scarico. Nella prima fase, la pressione dell'aria supersonica viene amplificata, quindi la miscelazione del carburante avviene nel diffusore e il processo di autoaccensione avviene nel bruciatore e il gas ad alta entalpia viene scaricato con elevata quantità di moto dall'ugello di uscita11,12,13 . La differenza principale tra questo motore ramjet è la velocità dell'aria in entrata all'interno della camera di combustione dove avviene il processo di iniezione del carburante e di autoaccensione14,15,16. Nel motore ramjet, la velocità del flusso d'aria si riduce a velocità subsonica sebbene la sua velocità iniziale possa arrivare fino a Mach = 2. Infatti, la miscelazione e l'accensione avvengono nel dominio subsonico17. Tuttavia, il flusso supersonico ha conservato la sua velocità nel combustore del motore scramjet e l'iniezione di carburante e la progressione della miscelazione in questa sezione avviene a velocità supersonica. Questa diversa condizione rende questi processi più complessi e complicati a causa della maggiore velocità dell'aria in ingresso18,19,20. In effetti, l'elevata velocità dell'aria ha limitato il tempo di miscelazione del carburante mentre si sono verificati diversi shock a causa delle interazioni del getto d'aria con il pennacchio del getto. Per risolvere queste difficoltà, sono stati stabiliti pochi sistemi pratici per preservare l'efficienza di questo tipo di motore anche a velocità più elevate21,22,23.

Come accennato, la distribuzione e la combustione del carburante avviene nella camera di combustione e il meccanismo di iniezione e miscelazione del carburante avviene tramite la metodologia di iniezione (attiva o passiva)24,25. Nel concetto attivo, il divisore di vibrazioni, il getto di impulsi e la parete ondulata sono la procedura convenzionale per l'iniezione efficiente di carburante26,27,28. In questi metodi viene utilizzata l'eccitazione forzata di un meccanismo su larga scala. Per il tiro del combustibile all'interno della camera di combustione vengono invece utilizzate rampe, miscelatori a lobi, rubinetti, cavità e palette. Inoltre il getto trasversale e quello controcorrente sono le due tecniche più diffuse in questa categoria29,30,31.