L'application d'ondes de choc peut améliorer les conditions de mélange des fluides dans les moteurs à combustion supersoniques, ouvrant la voie à des vols à des vitesses cinq fois plus rapides que la vitesse du son.

Ivan Bermejo-Moreno aime son café avec une touche de turbulence. Mais au lieu de mélanger le café et la crème avec une cuillère, quand il s'agit d'avions à réaction hypersoniques - des avions qui peuvent voler cinq fois plus vite que le son - il aime mélanger l'oxygène de l'air et le carburéacteur en utilisant quelque chose d'un peu plus fort :les ondes de choc.

Des principes similaires régissent le mélange des fluides dans les moteurs d'avion, où l'oxygène de l'air doit se mélanger au carburant pour aider à le propulser à une certaine vitesse. Chercheurs de l'USC au Département d'ingénierie aérospatiale et mécanique de l'USC Viterbi, dont Xiangyu Gao, un doctorat de l'USC Viterbi. étudiant qui a récemment soutenu sa thèse, et son directeur de thèse, Professeur adjoint Ivan Bermejo-Moreno, étudient comment obtenir un mélange efficace à grande vitesse. Un meilleur mélange permet aux moteurs à combustion supersonique - dans lesquels le débit d'air est supérieur à la vitesse du son - de rester plus courts tout en permettant aux véhicules de se déplacer de manière hypersonique. Une approche pour y parvenir consiste à utiliser des ondes de choc.

Une onde de choc se caractérise par un brusque changement de pression, la température et la densité d'un milieu et se déplace plus rapidement que la vitesse locale du son. "Sans appliquer une onde de choc, le mélange se produira, comme dans l'exemple avec le café et la crème, mais cela prendra beaucoup plus de temps, " a déclaré Bermejo-Moreno. " Les ondes de choc amplifient les turbulences - comme une cuillère dans l'exemple du café - et plus vous avez de turbulences, plus le mélange peut se produire rapidement."

Les chercheurs ont récemment publié une étude dans le Journal de la mécanique des fluides , qui partage des conditions dans lesquelles un tel mélange rapide - qui prend en charge plus rapidement, des véhicules plus efficaces—peut se produire. Une fois qu'une onde de choc - une perturbation soudaine et forte dans un milieu - est produite, la vitesse du fluide qui le traverse sera drastiquement réduite, permettant également plus de temps pour le mélange. Cela met le carburant et l'air dans un meilleur état de combustion, et augmentera la température, facilitant l'auto-allumage, les chercheurs ont dit.

Dans des conditions où le mélange peut être géré de manière suffisamment efficace pour supporter des véhicules hypersoniques, les implications sont nombreuses, y compris les applications commerciales pour l'exploration de l'espace.

Dit Bermejo-Moreno :"Imaginez qu'au lieu d'une fusée, vous ayez quelque chose de plus léger et plus petit qui pourrait nous emmener jusqu'à Mars. La combinaison de scramjets et de moteurs à détonation rotatifs, à la fois basé sur les ondes de choc et la turbulence, peut-être un jour faire exactement cela."

L'équipe de recherche comprend également Johan Larsson, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université du Maryland. Les chercheurs ont mené cette étude en effectuant des simulations numériques massivement parallèles sur les superordinateurs du High Performance Computing Center de l'USC et au Argonne National Laboratory.

Blocs de construction fondamentaux du flux

L'étude a isolé la physique que les chercheurs souhaitaient explorer en utilisant une configuration géométrique fondamentale - essentiellement une boîte - et en supprimant les variables liées au frottement de surface sur la nature du fluide ou du flux d'air. Dans l'étude, le flux viendrait d'un côté de la boîte et rencontrerait une onde de choc créée en contrôlant soigneusement la pression à l'intérieur de la boîte. Ensuite, il sort par le côté opposé de la boîte, dit Bermejo-Moreno.

"De cette façon, nous avons isolé l'interaction entre les écoulements turbulents et les ondes de choc, " a déclaré Bermejo-Moreno. Alors que les gens ont étudié l'interaction pure de la turbulence et des ondes de choc dans le passé, les chercheurs ont déclaré que seules quelques études se sont concentrées sur le mélange dans cette configuration. Les ondes de choc sont générées par la grande vitesse (supersonique) de l'air lorsqu'il rencontre les entrées d'air, dit Bermejo-Moreno. Déflexions géométriques, comme des coins, suffisent généralement à produire des ondes de choc.

Les chercheurs ont étudié une plus grande gamme de paramètres que dans les études précédentes, également, y compris les variations des vitesses entrantes du flux d'air. Les chercheurs ont également examiné différents niveaux de turbulence.

"Pour visualiser les turbulences, envisager un robinet, " dit Bermejo-Moreno. " Quand le robinet est à peine ouvert, le débit est lent, transparent et lisse, appelé laminaire. Mais pendant que vous continuez à ouvrir le robinet, la vitesse de l'eau augmente. Le jet d'eau devient flou et n'est plus transparent, c'est ce qu'on pourrait appeler turbulent. La même chose se produit dans l'air et dans les mélanges d'air et de carburant dont nous discutons dans les véhicules hypersoniques."

Les chercheurs ont dit qu'ils sont plus intéressés par les écoulements turbulents, car ils sont les plus représentatifs de ce qui se passe réellement dans la réalité. Tout comme lorsque vous ajoutez du lait à votre café et ne le remuez pas, sans onde de choc, ce qui augmente les turbulences, le mélange se produira mais cela prendra beaucoup plus de temps. Dans l'étude, les chercheurs ont découvert que si certaines quantités liées aux niveaux de mélange vont se saturer après une certaine amplification de la turbulence, d'autres continueront d'augmenter, suggérant que le mélange continue de s'améliorer à mesure que la turbulence augmente.

Ensuite, les chercheurs espèrent examiner des géométries supplémentaires et voir comment celles-ci ont un impact sur le mélange. "À l'avenir, l'un des éléments que nous voulons étudier est la manière dont différentes formes de structures turbulentes, appelées tourbillons, ont un impact sur le mélange. Par exemple, comment une structure en forme de tube pourrait avoir un impact différent sur le transport et le mélange de carburant et d'air qu'une structure en forme de feuille. "Si vous connaissez le type de structures turbulentes qui dominent dans le mélange, alors vous voudrez peut-être produire plus de ces structures, ", a déclaré Bermejo-Moreno.