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Mar 21, 2024

Uso de diamante extruido multi

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 15393 (2023) Citar este artículo 276 Accesos Detalles de métricas La principal atención de este trabajo es investigar el uso de diamantes multiextruidos.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 15393 (2023) Citar este artículo

276 Accesos

Detalles de métricas

La atención principal de este trabajo es investigar el uso de inyectores multiextruidos de diamante en la distribución de combustible en la cámara de combustión de scramjet. Este estudio aplicó la técnica computacional para simular los chorros de combustible transversales liberados por las boquillas extruidas. El objetivo principal es evaluar el papel de las ondas de choque inducidas en la penetración y distribución de los chorros de combustible. Se revelan los efectos del espacio del jet y el uso de la boquilla anular para el sistema de inyección de combustible. Los resultados de este trabajo muestran que el espacio del chorro sería más eficiente para la mezcla cuando también se utiliza el chorro de aire interior. Además, la inyección de aire desde el núcleo de la boquilla anular aumenta significativamente la mezcla de combustible.

Los sistemas de inyección de combustible desempeñan un papel crucial para lograr una mezcla eficiente de combustible en los scramjets. Los scramjets, o estatorreactores de combustión supersónica, son motores que respiran aire y están diseñados para funcionar a velocidades hipersónicas. Estos motores dependen de la combustión de una mezcla de combustible y aire para generar empuje. La mezcla eficiente de combustible es esencial para garantizar una combustión adecuada y maximizar el rendimiento del motor1,2,3.

Los sistemas de inyección de combustible para scramjets son responsables de entregar combustible a la cámara de combustión de manera controlada y eficiente4,5. El objetivo principal es lograr una mezcla completa y rápida del combustible con el aire entrante, promoviendo una combustión estable y un rendimiento óptimo6,7. Se han desarrollado diversas técnicas y diseños de inyectores para abordar los desafíos únicos asociados con la inyección de combustible scramjet8,9.

El inyector de un solo elemento es uno de los tipos de inyectores más simples y más comúnmente utilizados en motores scramjet10,11,12,13. Consiste en un único elemento inyector de combustible que inyecta combustible en el flujo de aire. Si bien su diseño es simple, puede presentar desafíos como una distribución desigual del combustible y un control limitado sobre el proceso de mezcla de aire y combustible14,15,16. Sin embargo, es una solución rentable que se puede utilizar en determinadas condiciones operativas17.

El inyector de elementos múltiples incorpora múltiples elementos de inyector de combustible dispuestos en un patrón específico18,19,20. Cada elemento es responsable de inyectar combustible en un lugar particular dentro de la cámara de combustión. Este diseño permite un mejor control sobre la distribución y mezcla del combustible, lo que resulta en una mejor eficiencia de combustión21,22,23,24. Los inyectores de elementos múltiples se pueden adaptar para que coincidan con condiciones de flujo específicas, lo que los hace adecuados para una amplia gama de regímenes operativos25,26.

Los inyectores impactantes utilizan una serie de chorros de combustible que chocan entre sí o sobre una superficie opuesta, como una placa de combustible o una pared27,28. Este diseño promueve una intensa atomización y mezcla del combustible debido a la colisión y ruptura de las corrientes de combustible. Los inyectores de impacto ofrecen una mejor mezcla de combustible y aire y una mayor estabilidad de la combustión29,30,31,32. Sin embargo, su fabricación puede ser más compleja y requerir cuidadosas consideraciones de diseño33.

El inyector coaxial de corte emplea una corriente de combustible interna rodeada por una corriente de aire externa. Las corrientes de combustible y aire se ven obligadas a moverse en direcciones opuestas, creando una capa de corte entre ellas34,35. Esta capa de corte mejora la atomización y mezcla del combustible, lo que conduce a una mejor eficiencia de la combustión. Los inyectores coaxiales de corte son conocidos por su capacidad para lograr altas tasas de mezcla de aire y combustible y pueden soportar una amplia gama de condiciones operativas36,37.

Los inyectores de aire utilizan aire comprimido para atomizar y mezclar el combustible. El combustible se inyecta en una cámara donde chorros de aire de alta velocidad lo rompen en pequeñas gotas, lo que promueve una rápida mezcla con el aire entrante. Los inyectores de aire ofrecen un buen control sobre la atomización del combustible y pueden proporcionar una mezcla eficiente de combustible y aire. Sin embargo, requieren un suministro de aire comprimido independiente, lo que añade complejidad al sistema general38,39.

La mezcla eficiente de combustible es crucial para lograr una combustión y un rendimiento óptimos en los motores scramjet. Se han desarrollado varios tipos de inyectores convencionales, incluidos inyectores de un solo elemento, inyectores de elementos múltiples, inyectores de impacto, inyectores coaxiales de corte e inyectores de chorro de aire, para abordar los desafíos asociados con la inyección de combustible en scramjets. Cada tipo de inyector ofrece ventajas y desventajas únicas, y la selección depende de factores como las condiciones de operación, los requisitos de rendimiento y las consideraciones de fabricación. La investigación y el desarrollo adicionales en técnicas de inyección de combustible continúan impulsando mejoras en la tecnología scramjet, con el objetivo de mejorar la eficiencia del combustible y el rendimiento de la propulsión.

Este estudio ha intentado presentar el mecanismo de mezcla de combustible de boquillas extruidas multidiamante dentro de la cámara de combustión del motor scramjet. En este artículo se analiza detalladamente la influencia de la configuración de los chorros y los espacios de los chorros (Fig. 1). La técnica computacional CFD se utiliza para modelar el flujo compresible supersónico con boquillas transversales extruidas de diamante. En este estudio también se estudia la influencia de los chorros coaxiales de aire y combustible.

Configuración de jet propuesta.

Se aplica la dinámica de fluidos computacional como metodología robusta para modelar la mezcla de los múltiples chorros de hidrógeno en una cámara de combustión. Dado que este estudio intentó investigar el papel de la interacción del chorro de combustible en la mezcla de combustible, se seleccionaron las ecuaciones RANS como las principales ecuaciones rectoras para el modelo introducido. Para las simulaciones, las ecuaciones de energía también se resolvieron instantáneamente debido a la existencia de la onda de choque en nuestro caso. El modelo de turbulencia SST también se utiliza debido a la estructura de alta turbulencia de los chorros de flujo supersónico y la boquilla extruida. Las reacciones no se consideran en este modelo ya que sus impactos en la difusión del combustible son muy limitados. En el presente estudio también se considera la ecuación de transporte de masa de especies para el gas secundario, que es el hidrógeno. El enfoque teórico se utiliza ampliamente en la ingeniería mecánica y la ciencia40,41,42,43,44,45,46.

La geometría seleccionada de las boquillas extruidas de diamantes múltiples propuestas dentro de la cámara de combustión del motor scramjet se demuestra en la Fig. 2. El flujo de entrada con Mach = 4 y presión atmosférica se aplica en el plano de entrada y el primer diamante extruido extruido La boquilla está situada 20 mm aguas abajo de la entrada. El área del chorro exterior de combustible y del chorro de aire interior equivale a un círculo con un diámetro de Dj = 0,5 mm. La longitud del dominio es de 100 mm y la profundidad es de 1,5 mm. La altura de la primera, segunda, tercera y cuarta boquillas extruidas de diamante es de 0, 0,5 mm, 1 mm y 1,5 mm. El chorro de combustible y aire se libera con una presión total del 10% de la corriente libre y la velocidad sónica. En esta investigación se simulan dos espacios de separación (3 Dj y 7 Dj) del espacio de la boquilla extruida de múltiples diamantes. En la Fig. 2 se muestran más detalles sobre la condición de contorno aplicada.

Condición de contorno aplicada.

La generación de la grilla también se realiza con características específicas relacionadas con la física del modelo presentado. Las cuadrículas estructuradas se producen para el modelo clarificado, aunque su resolución no es uniforme en todo el dominio. Como se muestra en la Fig. 3, el tamaño de la rejilla cerca del inyector de diamante extruido es menor que en otras secciones ya que las interacciones del flujo supersónico con las boquillas extruidas y los chorros cruzados ocurren en esta región47,48,49,50,51. También se realiza un análisis de cuadrícula para autenticar los resultados que no deben estar relacionados con el tamaño de las cuadrículas. En la Tabla 1, se comparan las concentraciones de masa promedio de las redes producidas para las cuatro redes generadas. De esta manera, se aplica la cuadrícula fina para futuras investigaciones.

Producción de redes.

El primer paso es validar los resultados con otros datos para garantizar la exactitud de las simulaciones. En este trabajo, el valor de penetración del chorro único se compara con los resultados experimentales de la Tabla 2. La desviación de los resultados computacionales de los datos experimentales también se define en la Tabla 2. La desviación promedio de la altura de penetración de una boquilla circular única de los datos experimentales Los datos son inferiores al 8% para las diferentes ubicaciones aguas abajo de las boquillas de combustible.

La Figura 4 ilustra el contorno de Mach en el plano de simetría de la boquilla anular para dos espacios de chorro de 3Dj y 7Dj con/sin chorros de aire internos. En el modelo de inyección anular (Fig. 4a), el fuerte choque de arco se nota frente al primer chorro y su ángulo está inherentemente relacionado con los espacios del chorro. Como se observa en la figura, se generan pequeños impactos de barril cerca del inyector y están conectados a través de una capa de corte. La desviación de estos impactos de cañón cerca de la boquilla se limita después de la segunda boquilla extruida. A medida que se reducen los espacios de chorro, la desviación del impacto del cañón producido en la zona de las toberas es más considerable. En la Fig. 4b, la inyección del chorro de aire desde el núcleo interno de la boquilla de diamante aumenta el ángulo del choque de proa y este efecto se observa visiblemente en la deflexión de los choques del cañón producidos por los chorros de combustible anulares. La comparación del choque de proa del chorro anular (línea azul discontinua) con los chorros coaxiales de combustible y aire (línea azul sólida) confirma los importantes efectos de los chorros de aire internos en las interacciones del chorro.

Contorno de Mach en el plano de simetría (a) chorros coaxiales anulares (b).

La Figura 5 demuestra la influencia del espacio del jet y las configuraciones del jet de combustible y aire en las concentraciones de combustible detrás de los jets. En la Fig. 5a, se ilustra la mezcla de combustible de boquillas anulares de diamante extruido para dos espacios de chorro. Dado que el ángulo de proa de la caja con espacios de chorro inferiores es mayor que en un modelo con espacios de chorro de 3Dj, la altura de la zona de mezcla de combustible es mayor y, en consecuencia, la variación de las concentraciones de hidrógeno disminuye suavemente en el espacio de chorro bajo. La circulación del flujo en el espacio de la boquilla también se nota en el modelo con un espacio de chorro de 7Dj. La adición de chorros de aire internos (Fig. 5b) cambia totalmente la distribución de masa en la cámara de combustión y fortalece el papel de las circulaciones. Dado que la inyección del chorro de aire interior aumenta el impulso normal del chorro de combustible, la altura de penetración aumenta sustancialmente y, en consecuencia, se observa una mayor circulación en la cámara de combustión. Cuando el espacio del chorro es más bajo (3Dj), se observa una única gran circulación detrás del último inyector. Sin embargo, hay varias circulaciones en el espacio del chorro cuando se aumenta el espacio del chorro.

Comparación de la zona de mezcla y la línea de corriente en el plano de chorro (a) anular (b) en chorros coaxiales.

La estructura tridimensional de las interacciones de los chorros se demuestra en la Fig. 6 para las configuraciones de chorro propuestas. En las configuraciones anulares, el vórtice producido en el hueco del modelo con mayor velocidad de chorro (7Dj) confirma que los chorros de combustible se difunden más en la profundidad del dominio. En este caso, la corriente del flujo de aire tiene más interacción. Sin embargo, el principal mecanismo eficaz para la mezcla de combustible del chorro con un espacio menor es la gran circulación que se produce detrás del último chorro. La adición del chorro de aire interior cambia por completo el núcleo del chorro de combustible en el modelo con un espacio de chorro de 7 Dj. La configuración del chorro en este modelo se vuelve independiente y el flujo de aire en el espacio distribuye el combustible en la cámara de combustión. Ahora resulta valioso mostrar el mecanismo de la circulación en estas cuatro configuraciones.

Comparación de características tridimensionales de chorros de combustible (a) anulares (b) coaxiales.

La Figura 7 compara la zona de mezcla y la corriente de flujo de estas configuraciones de chorro en una paleta fija ubicada 15 mm aguas abajo del primer chorro de diamante. En las configuraciones de chorro anular se observan dos circulaciones principales. El primero grande (A) se debe principalmente a las circulaciones, mientras que el segundo se debe al vórtice de herradura que se produce aguas arriba del primer chorro. Como se expresó anteriormente, el que tiene un espacio de chorro más bajo tiene una mayor penetración de combustible y una zona de mezcla cerca de los inyectores, mientras que el vórtice secundario es el mismo para ambos espacios de chorro. Cuando el chorro interior sale de la boquilla interior, la concentración de hidrógeno cae detrás de los inyectores mientras se expande la zona de mezcla. En el espacio en chorro superior, el vórtice secundario desaparece, mientras que se conserva cuando el espacio en chorro es 3Dj. La Figura 8 ilustra el flujo y la fracción de masa de combustible en el plano ubicado a 0,3 mm del fondo. Se describe el papel de la desviación del chorro de aire inducida por la boquilla de diamante extruido sobre la fracción de masa de hidrógeno y la corriente de flujo.

Comparación de la zona de mezcla y de la línea de corriente en el plano 15 mm aguas abajo del 1er chorro.

Comparación de la zona de mezcla y la línea de corriente en el plano a 0,5 mm del fondo.

La distribución de la fuerza de circulación detrás de los inyectores se muestra en la Fig. 9. La comparación del sistema de inyección anular indica que el espacio de chorro más bajo da como resultado una mayor fuerza de circulación cerca de la boquilla, mientras que esta fuerza disminuye después de 15 mm aguas abajo. Este patrón se conserva para configuraciones coaxiales de aire y combustible. La fuerza de la circulación se ve reforzada por el uso del chorro de aire interno aguas abajo, como se demuestra en la Fig. 9. Además, los resultados obtenidos muestran que la potencia de circulación disminuyó con una tasa más baja en el espacio del chorro 7Dj con configuración coaxial.

Variación de la circulación detrás de los jets.

La Figura 10 demuestra la variación de la eficiencia de mezcla para estas cuatro configuraciones. El gráfico muestra que la eficiencia de mezcla del chorro anular es casi idéntica, mientras que el uso del flujo de aire interno aumenta la mezcla de combustible hasta un 90% en un espacio de chorro de 7Dj. Sin embargo, el rendimiento de la mezcla aumenta hasta un 75 % en el espacio de chorro inferior. Esto confirma el papel de la producción de vórtices mediante el uso del flujo de aire interno.

Variación de la mezcla de combustible detrás de los jets.

Este estudio investiga la influencia de los inyectores con forma de múltiples diamantes en la mezcla del gas hidrógeno liberado dentro de la cámara de combustión. En el presente trabajo también se estudia el uso de chorros anulares y coaxiales. La dinámica de fluidos computacional se aplica para el modelado del sistema de inyección propuesto y revela el mecanismo de distribución de combustible en una física de flujo tan compleja. Este trabajo también estudió los efectos de los espacios de los chorros de combustible en la formación de vórtices y, en consecuencia, en la mezcla de combustible cerca de los inyectores. También se realiza un análisis de contorno de Mach para lograr términos efectivos sobre la difusión del combustible en las configuraciones de inyector propuestas. El resultado obtenido muestra que el uso del chorro de aire interior mejora la mezcla de combustible de la boquilla anular hasta un 90% aguas abajo de los inyectores. Además, es más preferible un mayor espacio de chorro ya que el vórtice producido en el espacio preservaría la eficiencia de mezcla de combustible aguas abajo del inyector.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Departamento de Ingeniería Mecánica, Rama de Sari, Universidad Islámica de Azad, Sari, Irán

Hossein Seraj, Farhad Hosseinnejad, Yasser Rostamiyan y Keivan Fallah

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HS y FH escribieron el texto principal del manuscrito y KF y YR prepararon las figuras y la revisión. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Farhad Hosseinnejad.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Seraj, H., Hosseinnejad, F., Rostamiyan, Y. et al. Uso de multiinyectores de diamante extruido para mejorar la mezcla de combustible dentro de la cámara de combustión supersónica. Informe científico 13, 15393 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-42487-2

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Recibido: 06 de agosto de 2023

Aceptado: 11 de septiembre de 2023

Publicado: 16 de septiembre de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-42487-2

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