Cámara de combustión durante las oscilaciones de combustión en un modelo de motor de cohete. Crédito:Hiroshi Gotoda
Los motores de combustión pueden desarrollar oscilaciones de alta frecuencia, provocando daños estructurales en los motores y condiciones de funcionamiento inseguras. Se requiere una comprensión detallada del mecanismo físico que causa estas oscilaciones, pero hasta ahora no se ha logrado.
En Física de fluidos , La investigación de la Universidad de Ciencias de Tokio y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón aclara los procesos de retroalimentación que dan lugar a estas oscilaciones en los motores de los cohetes.
Los investigadores estudiaron eventos de combustión simulados en un modelo computacional de una cámara de combustión de cohetes. Su análisis involucró técnicas sofisticadas, incluida la dinámica simbólica y el uso de redes complejas para comprender la transición al comportamiento oscilatorio.
Las técnicas de dinámica simbólica permitieron a los científicos determinar similitudes en el comportamiento entre dos variables que caracterizan el evento de combustión. Encontraron una relación entre las fluctuaciones en la velocidad de flujo del inyector de combustible y las fluctuaciones en la tasa de liberación de calor de la cámara de combustión.
Un motor de cohete usa inyectores para suministrar combustible, típicamente gas hidrógeno, H 2 , y un oxidante, gas oxígeno, O 2 , a una cámara de combustión donde se produce la ignición y la posterior combustión del combustible.
"Contacto periódico del H no quemado 2 / O 2 la mezcla con productos de alta temperatura de la llama de H2 [y] aire da lugar a fluctuaciones significativas en el lugar de ignición, "dijo el autor Hiroshi Gotoda.
Las fluctuaciones en el lugar de ignición producen fluctuaciones en la tasa de liberación de calor, que afecta las fluctuaciones de presión en la cámara de combustión.
"Descubrimos que las fluctuaciones de liberación de calor y las fluctuaciones de presión se sincronizan entre sí, "dijo Gotoda.
El producto de la presión y las fluctuaciones de la tasa de liberación de calor en la cámara de combustión es una cantidad física importante para comprender el origen de las oscilaciones de combustión. Las regiones donde este producto es mayor que cero corresponden a fuentes de energía acústica que impulsan las oscilaciones.
Los investigadores descubrieron fuentes de energía en la capa de cizallamiento cerca del borde del inyector. Estas fuentes de energía colapsarían repentinamente y resurgirían río arriba de manera periódica, provocando oscilaciones en la combustión.
"La repetición de la formación y el colapso de los grupos de fuentes termoacústicas en la región de la capa de cizallamiento hidrodinámico entre el oxidante interno y los chorros de combustible externos juega un papel importante en impulsar las oscilaciones de combustión, "dijo Gotoda.
Los investigadores creen que su método de análisis conducirá a una mejor comprensión de las peligrosas oscilaciones que a veces surgen en los motores de cohetes y otras cámaras de combustión.
