Dans un moteur à réaction, le flux d'air est ralenti pour augmenter la température et la pression pour la combustion - brûler du carburant avec le bon rapport de carburant et d'air pour vaincre la traînée permet l'accélération.

Mais dans les moteurs supersoniques atteignant la bonne vitesse d'écoulement, produire le bon rapport de carburant évaporé et provoquer l'allumage au bon moment est plus complexe. Avec du liquide en évaporation dans une chambre de combustion, il y a plus en jeu que la gravité et la traînée, surtout avec les ondes de choc supersoniques dans l'équation.

Les tourbillons, les structures dynamiques créées dans un écoulement turbulent, sont affectés par l'onde de choc. Cela change la façon dont le carburant brûle et multiplie le nombre de possibilités de comportement des particules. Pour approfondir notre compréhension de la dynamique des écoulements supersoniques, les chercheurs se tournent vers la modélisation numérique pour calculer la grande variété de résultats possibles dans ce système modifié.

Dans leur étude, publié cette semaine dans Physique des fluides , Zhaoxin Ren, Bing Wang et Longxi Zheng ont vu la combustion supersonique dans une série temporelle grâce à la modélisation numérique. Cela leur a permis de voir comment l'évolution des variables, tels que le chargement de masse de carburant, l'intensité de l'onde de choc, et les types d'ondes réfléchies et transmises créées à différents moments affecteront l'allumage.

Ils ont pu caractériser quantitativement l'influence d'une onde de choc oblique incidente sur les tourbillons de cisaillement à grande échelle et les réactions exothermiques, cartographier mathématiquement l'influence des variables et les types d'ondes résultants créés dans un gaz choqué. Leur analyse établit une méthode de simulation fiable pour la combustion supersonique à l'aide d'outils de modélisation mathématique spécialement conçus à cet effet.

"Actuellement, aucun logiciel commercial ne peut simuler le problème de combustion supersonique car il nécessite des schémas numériques d'ordre élevé pour calculer les écoulements supersoniques avec des chocs évolués compliqués, ainsi que des modèles corrigés pour décrire la dynamique des gouttelettes, que nous prenons soigneusement en compte dans nos codes de simulation internes, " Wang a dit, un co-auteur de l'étude. "La simulation numérique directe peut capturer les pleines échelles des flux impliqués dans l'interaction choc-vortex."

En utilisant une combinaison de codes de simulation personnalisés et de la méthode eulérienne-lagrangienne couramment appliquée aux écoulements diphasiques chargés de particules, les auteurs ont pu exécuter un large éventail de simulations et fournir une série de cas de test qui informent la conception du moteur scramjet. Leur analyse a révélé deux modes de combustion induite, y compris un mode de quasi-détonation local qui se produit en raison de la formation d'une onde réfractée couplée à la réaction chimique.

"Le moteur scramjet est l'option la plus favorable pour le vol à grande vitesse à Mach six ou plus, ", a déclaré Wang. "Comprendre le mécanisme physique compliqué de la combustion supersonique et l'impact des ondes de choc incidentes pourrait aider les ingénieurs à choisir la meilleure combinaison de mélange et de combustion en installant des composants mobiles dans la chambre de combustion."