La aplicación de ondas de choque puede mejorar las condiciones para la mezcla de fluidos en motores de combustión supersónicos, allanando el camino para vuelos a velocidades cinco veces más rápidas que la velocidad del sonido.

A Ivan Bermejo-Moreno le gusta su café con un toque de turbulencia. Pero en lugar de mezclar café y crema con una cuchara, cuando se trata de aviones a reacción hipersónicos —aviones que pueden volar cinco veces más rápido que el sonido— le gusta mezclar oxígeno del aire y combustible de aviación usando algo un poco más fuerte:ondas de choque.

Principios similares gobiernan la mezcla de fluidos en motores de aviones, donde el oxígeno del aire tiene que mezclarse con el combustible para ayudar a propulsarlo a cierta velocidad. Investigadores de la USC en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la USC Viterbi, incluido Xiangyu Gao, un Ph.D. de la USC Viterbi. estudiante que recientemente defendió su disertación, y su asesor de doctorado, Profesor asistente Ivan Bermejo-Moreno, están estudiando cómo lograr una mezcla eficiente a altas velocidades. Una mejor mezcla permite que los motores de combustión supersónicos, en los que el flujo de aire es mayor que la velocidad del sonido, permanezcan más cortos en longitud al tiempo que permite que los vehículos se muevan hipersónicamente. Un enfoque para lograr esto es utilizar ondas de choque.

Una onda de choque se caracteriza por un cambio brusco de presión, temperatura y densidad de un medio y se mueve más rápido que la velocidad local del sonido. "Sin aplicar una onda de choque, se producirá una mezcla, como en el ejemplo con café y crema, pero tardará mucho más, ", Dijo Bermejo-Moreno." Las ondas de choque amplifican la turbulencia, similar a una cuchara en el ejemplo del café, y cuanta más turbulencia tenga, la mezcla más rápida puede ocurrir ".

Los investigadores publicaron recientemente un estudio en el Revista de mecánica de fluidos , que comparte condiciones en las que una mezcla tan rápida, que apoya más rápido, pueden ocurrir vehículos más eficientes. Una vez que se produce una onda de choque, una perturbación fuerte y repentina en un medio, la velocidad del fluido que lo atraviesa se reducirá drásticamente, también permitiendo más tiempo para mezclar. Esto pone el combustible y el aire en mejores condiciones para la combustión, y aumentará la temperatura, facilitando el autoencendido, dijeron los investigadores.

En condiciones en las que la mezcla se pueda manejar con la suficiente eficiencia para soportar vehículos hipersónicos, hay numerosas implicaciones, incluidas las aplicaciones comerciales para la exploración del espacio.

Bermejo-Moreno dijo:"Imagina que en lugar de un cohete tienes algo más liviano y más pequeño que podría llevarnos hasta Marte. La combinación de scramjets y motores de detonación giratorios, ambos basados ​​en ondas de choque y turbulencias, que algún día haga precisamente eso ".

El equipo de investigación también incluye a Johan Larsson, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Maryland. Los investigadores llevaron a cabo este estudio realizando simulaciones numéricas masivamente paralelas en las supercomputadoras en el Centro de Computación de Alto Rendimiento de la USC y en el Laboratorio Nacional Argonne.

Bloques de construcción fundamentales del flujo

El estudio aisló la física que los investigadores estaban interesados ​​en explorar mediante el uso de una configuración geométrica fundamental, esencialmente una caja, y eliminando las variables relacionadas con la fricción de la superficie en la naturaleza del flujo de fluido o aire. En el estudio, el flujo vendría desde un lado de la caja y encontraría una onda de choque creada al controlar cuidadosamente la presión dentro de la caja. Luego sale por el lado opuesto de la caja, Dijo Bermejo-Moreno.

"De este modo, aislamos la interacción entre flujos turbulentos y ondas de choque, ", Dijo Bermejo-Moreno. Si bien la gente ha estudiado la interacción pura de turbulencia y ondas de choque en el pasado, los investigadores dijeron que solo unos pocos estudios se han centrado en mezclar en esta configuración. Las ondas de choque se generan por la gran velocidad (supersónica) del aire cuando se encuentra con las entradas de aire, Dijo Bermejo-Moreno. Deflexiones geométricas, como esquinas, suelen ser suficientes para producir ondas de choque.

Los investigadores estudiaron una mayor variedad de parámetros que en estudios anteriores, así como, incluidas las variaciones en las velocidades de entrada del flujo de aire. Los investigadores también observaron diferentes niveles de turbulencia.

"Para visualizar la turbulencia, considerar un grifo, ", Dijo Bermejo-Moreno." Cuando el grifo apenas está abierto, el flujo es lento, transparente y suave, conocido como laminar. Pero mientras sigues abriendo el grifo, la velocidad del agua aumenta. El chorro de agua se vuelve borroso y ya no es transparente; es lo que llamarías turbulento. Lo mismo ocurre en el aire y en las mezclas de aire y combustible que comentamos en los vehículos hipersónicos ".

Los investigadores dijeron que están más interesados ​​en los flujos turbulentos, porque son los más representativos de lo que realmente está sucediendo en la realidad. Al igual que cuando le agregas leche a tu café y no lo revuelves, sin una onda de choque, que aumenta la turbulencia, se producirá la mezcla, pero llevará mucho más tiempo. En el estudio, los investigadores encontraron que, si bien algunas cantidades relacionadas con los niveles de mezcla se saturarán después de una cierta amplificación de la turbulencia, otros seguirán aumentando, sugiriendo que la mezcla continúa mejorando a medida que aumenta la turbulencia.

A continuación, los investigadores esperan observar geometrías adicionales y ver cómo afectan la mezcla. "En el futuro, Uno de los elementos que queremos investigar es cómo las diferentes formas de estructuras turbulentas, conocidas como remolinos, impactan la mezcla. Por ejemplo, cómo una estructura en forma de tubo podría impactar el transporte y la mezcla de combustible y aire de manera diferente a una estructura en forma de lámina. "Si conoce el tipo de estructuras turbulentas que son dominantes en la mezcla, entonces es posible que desee producir más de estas estructuras, "Dijo Bermejo-Moreno.