超音速クロスフローにおける複数の燃料ジェットの燃料混合と質量拡散に対する押出インジェクターノズルの影響: 計算による研究

Jul 17, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12095 (2023) この記事を引用

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効率的な噴射システムは、超音速流における空気呼吸推進システムの全体的な実現に大きな役割を果たします。 この研究では、燃焼器を介した燃料の分配と混合における押出マルチインジェクターの使用法が完全に調査されています。 押し出しノズルの使用により、インジェクター付近での渦の形成が大幅に強化されます。この研究では、スクラムジェットの燃焼器を通る燃料ジェットの拡散におけるこれらの渦の役割を視覚化することを試みました。 生成される循環の強さに対するジェット空間の影響について十分に議論されています。 押し出しノズルで燃焼室を動かす高速空気流のシミュレーションは、数値流体力学によって行われます。 私たちの計算データに基づいて、押出マルチジェットの使用により、超音速気流における水素クロスジェットの浸透と拡散が強化されます。 インジェクター間のギャップを増やすと、主に燃料ジェットの横方向の浸透が強化されるため、ジェットの下流での燃料混合性能が最大 27% 向上します。

宇宙にアクセスするための推進技術における最も重要な進歩は、スクラムジェット エンジンの発明です1、2、3、4、5。 スクラムジェットエンジンを搭載した打ち上げロケットは、ペイロードや再利用性を高めるために質量を解放することで、同様のロケットよりも高度な効率でランチャーの大気圏内飛行の一部を行うことができます5、6、7。 実際の用途におけるこの装置の大きな影響を示すために、スクラムジェットはマッハ 12 までの超高速速度で動作できます。スクラムジェット エンジンのこれらの利点により、この技術はここ数十年でかなり研究されてきました。 実際、これは宇宙空間にアクセスするための既知の唯一の技術です。 さらに、この推進システムは高速飛行に必要な出力と推力を生成しました8、9、10。

スクラムジェット エンジンには、インレット (圧縮)、ディフューザー、 バーナーと排気ノズル。 最初の段階では、超音速空気の圧力が増幅され、ディフューザー内で燃料の混合が起こり、バーナー内で自動点火プロセスが起こり、高エンタルピーのガスが出口ノズルから高い勢いで排出されます11、12、13。 。 このエンジンとラムジェット エンジンの主な違いは、燃料噴射と自動点火プロセスが行われる燃焼室内に流入する空気の速度です14、15、16。 ラムジェット エンジンでは、空気流の速度は亜音速まで低下しますが、その初速度は最大マッハ = 2 になる可能性があります。実際、混合と点火は亜音速領域で発生します17。 しかし、超音速流はスクラムジェット エンジンの燃焼器内で速度を維持し、このセクションでの燃料噴射と混合の進行は超音速で行われます。 この異なる条件により、流入する空気の速度が速くなり、これらのプロセスがより複雑かつ複雑になります18、19、20。 実際、空気の高速度が燃料の混合時間を制限する一方で、空気ジェットとジェットプルームの相互作用によりいくつかの衝撃が発生しました。 これらの問題を解決するために、より高速でもこのタイプのエンジンの効率を維持する実用的なシステムはほとんど確立されていません 21、22、23。

前述したように、燃料の分配と燃焼は燃焼室で行われ、燃料の噴射と混合のメカニズムは噴射方法 (アクティブまたはパッシブ) によって行われます 24,25。 アクティブコンセプトでは、振動スプリッター、パルスジェット、波状壁が燃料を効率的に噴射するための従来の手順です26、27、28。 これらの方法では、大規模機構の強制励磁が利用されています。 一方、ランプ、ローブミキサー、タップ、キャビティ、ベーンは、燃焼室内への燃料の噴射に使用されます。 さらに、横流ジェットと向流ジェットは、このカテゴリーで最も人気のある 2 つの技術です29、30、31。