Influencia de la boquilla del inyector extruido en la mezcla de combustible y la difusión de masa de chorros de combustible múltiples en el flujo cruzado supersónico: estudio computacional

Jul 17, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12095 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El sistema de inyección eficiente tiene un papel importante en el funcionamiento general de los sistemas de propulsión de respiración de aire en flujo supersónico. En este trabajo, se investiga a fondo el uso de multiinyectores extruidos en la distribución de combustible y la mezcla a través de la cámara de combustión. El uso de boquillas extruidas intensifica considerablemente la formación de vórtices cerca de los inyectores y esta investigación ha intentado visualizar el papel de estos vórtices en la difusión del chorro de combustible a través de la cámara de combustión del scramjet. Se discuten detalladamente las influencias del espacio de chorro sobre la fuerza de las circulaciones producidas. La simulación de la corriente de aire a alta velocidad que mueve la cámara de combustión con boquillas extruidas se realiza mediante dinámica de fluidos computacional. Según nuestros datos computacionales, el uso de chorros múltiples extruidos mejora la penetración y difusión del chorro cruzado de hidrógeno en un flujo de aire supersónico. Aumentar el espacio entre los inyectores mejora el rendimiento de la mezcla de combustible hasta en un 27 % aguas abajo de los chorros, principalmente al mejorar la penetración lateral del chorro de combustible.

El avance más significativo en la tecnología de propulsión para acceder al espacio es la invención de los motores scramjet1,2,3,4,5. Un vehículo de lanzamiento con un motor scramjet podría funcionar durante parte del vuelo intraatmosférico del lanzador con una efectividad más sofisticada que un cohete similar liberando masa para aumentar la carga útil o la reutilización5,6,7. Para mostrar los altos impactos de este dispositivo en aplicaciones reales, un scramjet podría operar a velocidades de hipervelocidad de hasta Mach 12. Debido a estas ventajas de los motores scramjet, esta técnica se ha investigado considerablemente en las últimas décadas. De hecho, ésta es la única técnica conocida para acceder al espacio exterior. Además, este sistema de propulsión producía la potencia y el empuje necesarios para vuelos a alta velocidad8,9,10.

El motor Scramjet incluye cuatro etapas principales: entrada (compresión), difusor; Quemador y boquilla de escape. En la primera etapa, la presión del aire supersónico se amplifica y luego, la mezcla del combustible ocurre en el difusor y el proceso de autoignición ocurre en el quemador y el gas de alta entalpía se expulsa con un alto impulso desde la boquilla de salida11,12,13 . La principal diferencia entre este motor y el estatorreactor es la velocidad del aire entrante dentro de la cámara de combustión donde ocurre el proceso de inyección de combustible y autoignición14,15,16. En el motor ramjet, la velocidad del flujo de aire se reduce a una velocidad subsónica, aunque su velocidad inicial podría ser de hasta Mach = 2. De hecho, la mezcla y la ignición ocurren en el dominio subsónico17. Sin embargo, el flujo supersónico conservó su velocidad en la cámara de combustión del motor scramjet y la inyección de combustible y la progresión de la mezcla en esta sección ocurre a velocidad supersónica. Esta condición diferente hace que estos procesos sean más complejos y complicados debido a la mayor velocidad del aire entrante18,19,20. De hecho, la alta velocidad del aire limitó el tiempo de mezcla del combustible, mientras que se produjeron varios choques debido a las interacciones de los chorros de aire con la columna de chorro. Para resolver estas dificultades, se han establecido pocos sistemas prácticos para preservar la eficiencia de este tipo de motores incluso a velocidades más altas21,22,23.

Como se mencionó, la distribución y combustión del combustible se realiza en la cámara de combustión y el mecanismo de inyección y mezcla del combustible ocurre mediante la metodología de inyección (activa o pasiva)24,25. En el concepto activo, el divisor de vibración, el chorro pulsado y la pared ondulada son el procedimiento convencional para la inyección eficiente de combustible26,27,28. En estos métodos se utiliza la excitación forzada de un mecanismo a gran escala. Por otro lado, para el disparo del combustible al interior de la cámara de combustión se utilizan rampas, mezcladores de lóbulos, grifos, cavidades y paletas. Además, el chorro transversal y el contraflujo son las dos técnicas más populares en esta categoría29,30,31.

La aplicación de los chorros transversales es ampliamente investigada en el contexto debido a los considerables beneficios en la mezcla del combustible32,33. La sustitución de un único chorro por múltiples chorros equivalentes también mejora el rendimiento de este método para la difusión de combustible mediante el uso del vórtice dentro de los espacios de los inyectores34,35. Debido a estas ventajas, en este trabajo se ha intentado desarrollar esta metodología mediante la aplicación de boquillas extruidas de multichorros en cámaras de combustión32,36. En las configuraciones propuestas, las boquillas de combustible se colocan desde un nivel más alto que puede mejorar la mezcla de combustible y aumentar la característica de vórtice en el espacio de los inyectores.

En el presente estudio de investigación, se selecciona la dinámica de fluidos computacional para la investigación del flujo alrededor de los múltiples chorros extruidos en la corriente libre supersónica. Se presentan análisis de flujo para revelar los impactos de los vórtices en el mecanismo de distribución de combustible al encontrarse con una corriente de aire cruzada supersónica. En esta investigación se investigan en su totalidad los efectos de los espacios de chorro sobre la difusión y mezcla de los chorros. También se realiza una comparación del índice de mezcla de combustible y la fuerza de circulación para lograr las condiciones óptimas para la inyección de hidrógeno.

La visualización computacional del flujo de alta velocidad se realiza principalmente mediante la resolución de ecuaciones RANS con el modelo de turbulencia SST37,38. La simulación del chorro de hidrógeno en la corriente de aire se realiza acoplando la ecuación de transporte de especies con las principales ecuaciones rectoras39. Además, los efectos compresibles y las interacciones de los chorros dan como resultado ondas de choque y esto se logra mediante el acoplamiento de la ecuación de energía con las ecuaciones primarias. La suposición del gas ideal es una elección razonable para el cálculo de la densidad en nuestro problema. Las principales ecuaciones que rigen nuestro problema se presentaron en su totalidad en trabajos publicados anteriormente40,41. Se utiliza un enfoque totalmente implícito para resolver nuestras principales ecuaciones rectoras42.

Las condiciones límite para nuestras configuraciones sugeridas se muestran en la Fig. 1. La presión de campo lejano se aplica para el flujo de aire comprimible con Mach = 4 y una temperatura estática de 1000 K a presión atmosférica43,44. Se considera una pared con temperatura constante en la parte inferior y superior del dominio. El hidrógeno es nuestro tipo de combustible y se inyecta a través de cuatro inyectores a diferentes alturas de 0, 0,25 mm, 0,5 mm y 0,75 mm desde la parte inferior del dominio. Se aplica a los chorros de combustible una presión total del 10% de la corriente libre principal. Como se muestra en la Fig. 2, se investigan tres espacios de chorro de 4Dj, 7Dj y 10Dj, ya que los espacios de chorro tienen un gran impacto en el papel de la circulación en las configuraciones de chorros múltiples. La dimensión del dominio a lo largo de x, z e y es 100 mm, 5 mm y 8 mm, respectivamente.

Condiciones de contorno y descripción del modelo.

Rejilla aplicada para el modelo elegido.

La rejilla producida también se muestra en la Fig. 2. Como la inyección de combustible en chorro en flujo cruzado produjo interacciones de choque, la resolución de la rejilla producida cerca de la punta de la boquilla de chorro aumenta para capturar el impacto. La vista superior de la cuadrícula en la Fig. 3 muestra que las cuadrículas estructuradas se generan en este estudio. También se encuentra que la cuadrícula aplicada es uniforme en todo el dominio para evitar errores debido a la falta de uniformidad de la cuadrícula. En esta investigación también se realiza un estudio de la red para el examen de la independencia de la red como se presenta en la Tabla 1. En esta tabla, se compara la concentración de masa de combustible para las cuatro parrillas producidas en la superficie definida ubicada aguas abajo de los inyectores. Los datos presentados indican que la cuadrícula fina es satisfactoria para las próximas simulaciones.

Contorno de Mach en un avión a reacción.

También se realiza la evaluación de los datos numéricos con trabajos prácticos para la valoración de la exactitud de los resultados obtenidos45,46,47. En este trabajo se equipara el valor de la altura de penetración detrás de un único inyector con un diámetro de 2 mm a otros trabajos científicos. Nuestros datos se equiparan con otros trabajos. La tendencia de los resultados y la desviación de otras investigaciones indican que los resultados obtenidos son racionales48,49.

La interfaz entre los chorros es crucial para la mezcla de combustible en un sistema de chorros múltiples. La Figura 3 demuestra el impacto de tres espacios de chorro distintos en la interacción de los chorros de combustible dentro de la cámara de combustión, donde se extruyen inyectores de combustible con alturas similares. El primer factor importante relacionado con estas configuraciones es el ángulo de la cabina de proa. Parece que el ángulo de choque del modelo con espacio de chorro = 3Dj es mayor que el de otras disposiciones. La variación de la capa de corte también se destaca en la figura para seguir la característica del chorro en el plano de simetría donde ocurren las principales interacciones. Se observa cómo los espacios del chorro y el chorro aguas arriba influyen en la desviación de los impactos del cañón. El aumento de los espacios de los chorros fortalece la desviación de los impactos del cañón.

La concentración de corriente y masa de estas configuraciones se muestra en la Fig. 4. La concentración de los chorros de hidrógeno es alta cerca de la configuración con menos espacio de chorro, mientras que las configuraciones de chorro con espacios de separación altos dan como resultado una menor concentración de combustible en la separación de los inyectores extruidos. La figura también muestra que la estructura del vórtice tiene efectos más pronunciados en espacios de chorro altos. En el espacio del jet de 7Dj, la altitud del área de mezcla es más uniforme que en otras configuraciones, mientras que la distribución del combustible se realiza a una distancia mayor.

Evaluación del área de mezcla en el avión a reacción.

La visualización tridimensional de la corriente en chorro en las configuraciones seleccionadas se ilustra en la Fig. 5. La característica del chorro y la corriente indica que el vórtice de flujo es más visible en el modelo con espacios de chorro pequeños. Las interacciones de los chorros son mayores en los espacios de chorro bajos a medida que el choque del cañón está más cerca. La Figura 6 ilustra la hidrodinámica del flujo centrándose en las circulaciones dentro del espacio del chorro. Esta estructura es dominante en la configuración con un jet gap de 7Dj. El aumento del espacio del chorro no limita el flujo dentro de las boquillas extruidas. Además, un espacio más bajo limitó el caudal másico dentro de las boquillas extruidas y esto limitó sus impactos en la corriente en chorro y su dispersión en la cámara de combustión. Se conocen configuraciones de chorros múltiples para producir un vórtice en herradura aguas arriba de la primera boquilla. El tamaño y la fuerza de este vórtice están influenciados por la interfaz entre el primer chorro y la corriente principal. Como se mencionó anteriormente, cuando se reduce el espaciamiento inferior de los chorros, los chorros se combinan para actuar como un chorro extendido, mejorando la interacción con la corriente libre y provocando que el vórtice en herradura se extienda más hacia el interior del dominio. Esto da como resultado una mejor mezcla de combustible cerca de los inyectores.

Asociación de las interacciones de los chorros de combustible para espacios de chorro diferentes.

Evaluación de la corriente de flujo y su impacto en el mecanismo de mezcla de combustible.

La Figura 7 muestra la zona de mezcla y la estructura de flujo cerca del inyector (x/Djet = 5) y lejos (x/Djet = 15). En las proximidades de los inyectores, hay dos vórtices distintivos que son más notorios en el espacio de chorro bajo de 3Dj. El vórtice superior e inferior se forman mediante la comunicación de los chorros con la corriente principal. Como se describió en el párrafo anterior, el inferior se debe al vórtice de herradura y su fuerza está relacionada con las conexiones de la corriente de aire supersónica con los primeros chorros. El vórtice superior está relacionado con la diferencia de velocidad debida a la producción del vórtice en el espacio de las boquillas extruidas. A larga distancia, los impactos de los chorros no se notan (Fig. 7).

Estimación y comparación de la zona de mezcla y flujo en planos aguas abajo de las boquillas extruidas.

La Figura 8 compara el cambio del factor de circulación cerca de los inyectores así como de las boquillas del extrusor aguas abajo. Los resultados obtenidos indican que la fuerza de circulación máxima se observó en el modelo con una distancia entre chorro de 7 Dj. De hecho, disminuir el espacio del chorro a menos de 7Dj limita los efectos de vórtice mientras se aumenta el espacio de los inyectores no permitiría la formación del vórtice en los espacios del chorro como se observa en la tendencia del factor de circulación en el espacio de los dos últimos chorros. Además, en todos los casos la fuerza circulatoria disminuye a grandes distancias.

Diferencia del factor de circulación a lo largo de los chorros.

La Figura 9 muestra la disparidad de la mezcla de combustible aguas abajo de los diferentes espacios de las boquillas extruidas junto con una configuración simple de chorros múltiples sin boquillas extruidas. Aumentar la separación del chorro aumentaría la mezcla a larga distancia, mientras que todos los chorros tienen una eficiencia de mezcla similar cerca de la primera boquilla. La comparación de la configuración de la boquilla extruida con una boquilla simple muestra que la aplicación de la boquilla extruida y el mismo espacio de chorro aumentaría la mezcla de combustible aproximadamente un 42 % en la distancia de 25 mm a 40 mm detrás de la primera boquilla. Esto muestra las influencias de la formación de vórtices dentro del espacio del inyector. El rendimiento de mezcla normal del modelo con espacio de chorro de 7 Dj y 10 Dj en distancias de 30 mm a 40 mm es casi igual. Sin embargo, mezclar la ejecución del caso con una brecha de 7Dj es aproximadamente un 12% más que 10 Dj.

Papel de los espacios de chorro en el rendimiento de mezcla de boquillas extruidas.

Los impactos de la boquilla extruida en la mezcla de combustible de chorros multicirculares se investigan a fondo en flujo cruzado supersónico. Se revelan los efectos de los espacios de los chorros en el tamaño del área de mezcla y se presenta el mecanismo de distribución del combustible mediante la boquilla extruida. CFD se aplica para la visualización del flujo altamente compresible con multichorros cruzados. Se examinan las influencias de los espacios de chorro sobre la fuerza de la mezcla y la eficiencia de la circulación y se comparan con todo detalle los efectos de mezcla de boquillas multiextruidas con boquillas simples. Una comparación de las boquillas extruidas con las simples confirma la mayor eficiencia de mezcla de las boquillas extruidas. Según nuestros hallazgos, la menor distancia entre los chorros restringe la formación de vórtices dentro de la brecha. Por el contrario, aumentar la separación entre boquillas reduce la fuerza del vórtice, incluso cuando se utilizan boquillas extruidas. Hemos observado que el mecanismo de mezcla está estrechamente relacionado con la presencia de fuertes vórtices a la distancia del chorro.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Esta investigación no recibió ninguna subvención específica de agencias de financiación del sector público, comercial o sin fines de lucro.

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Seyyed Amirreza Abdullahi

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Ghazal Rajabikhorasani

Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Cihan-Erbil, Erbil, Irak

As'ad Alizadeh

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SAA: escribió el texto principal del manuscrito, preparó figuras y tablas, revisó el manuscrito. GR: escribió el texto principal del manuscrito, preparó figuras y tablas, revisó el manuscrito. AA: redactó el texto principal del manuscrito, preparó figuras y tablas, revisó el manuscrito.

Correspondencia a Seyyed Amirreza Abdollahi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Abdollahi, SA, Rajabikhorasani, G. & Alizadeh, A. Influencia de la boquilla del inyector extruido en la mezcla de combustible y la difusión masiva de chorros de combustible múltiples en el flujo cruzado supersónico: estudio computacional. Informe científico 13, 12095 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39306-z

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Recibido: 10 de junio de 2023

Aceptado: 23 de julio de 2023

Publicado: 26 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39306-z

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