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Feb 25, 2024

Einfluss extrudierter Einspritzdüsen auf die Kraftstoffmischung und Massendiffusion mehrerer Kraftstoffstrahlen im Überschallquerstrom: rechnerische Studie

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12095 (2023) Diesen Artikel zitieren 507 Zugriffe auf Metrikdetails Das effiziente Injektionssystem spielt eine große Rolle bei der Gesamtwirkung der Luftatmung

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Das effiziente Injektionssystem spielt eine große Rolle bei der Gesamtleistung luftatmender Antriebssysteme bei Überschallströmung. In dieser Arbeit wird der Einsatz extrudierter Multiinjektoren bei der Brennstoffverteilung und -mischung durch die Brennkammer umfassend untersucht. Die Verwendung extrudierter Düsen intensiviert die Bildung von Wirbeln in der Nähe der Einspritzdüsen erheblich und diese Forschung hat versucht, die Rolle dieser Wirbel bei der Diffusion des Kraftstoffstrahls durch die Brennkammer des Scramjets zu visualisieren. Die Einflüsse des Strahlraums auf die Stärke der erzeugten Zirkulationen werden ausführlich diskutiert. Die Simulation des Hochgeschwindigkeitsluftstroms, der die Brennkammer mit extrudierten Düsen bewegt, erfolgt mittels Computational Fluid Dynamics. Basierend auf unseren Berechnungsdaten verbessert die Verwendung extrudierter Multidüsen die Durchdringung und Diffusion des Wasserstoff-Kreuzstrahls im Überschallluftstrom. Durch die Vergrößerung des Spalts zwischen den Einspritzdüsen wird die Kraftstoffmischleistung stromabwärts der Düsen um bis zu 27 % verbessert, vor allem durch eine Verbesserung der seitlichen Durchdringung des Kraftstoffstrahls.

Der bedeutendste Fortschritt in der Antriebstechnologie für den Zugang zum Weltraum ist die Erfindung der Scramjet-Triebwerke1,2,3,4,5. Eine Trägerrakete mit einem Scramjet-Triebwerk könnte über einen Teil des intraatmosphärischen Fluges der Trägerrakete mit ausgefeilterer Wirksamkeit arbeiten als eine ähnliche Rakete, indem sie Masse für eine erhöhte Nutzlast oder Wiederverwendbarkeit freisetzt5,6,7. Um die großen Auswirkungen dieses Geräts in realen Anwendungen zu demonstrieren, könnte ein Scramjet mit Hypergeschwindigkeitsgeschwindigkeiten von bis zu Mach 12 betrieben werden. Aufgrund dieser Vorteile von Scramjet-Triebwerken wurde diese Technik in den letzten Jahrzehnten intensiv untersucht. Tatsächlich ist dies die einzige bekannte Technik für den Zugang zum Weltraum. Außerdem erzeugte dieses Antriebssystem die erforderliche Leistung und den nötigen Schub für einen Hochgeschwindigkeitsflug8,9,10.

Das Scramjet-Triebwerk umfasst vier Hauptstufen: Einlass (Kompression), Diffusor; Brenner und Abgasdüse. In der ersten Stufe wird der Druck der Überschallluft verstärkt und dann erfolgt die Brennstoffmischung im Diffusor und der Selbstzündungsprozess im Brenner, und Gas mit hoher Enthalpie wird mit hohem Impuls aus der Auslassdüse ausgestoßen11,12,13 . Der Hauptunterschied zwischen diesem Triebwerk und dem Staustrahltriebwerk besteht in der Geschwindigkeit der einströmenden Luft in der Brennkammer, wo die Kraftstoffeinspritzung und der Selbstzündungsprozess stattfinden14,15,16. Im Staustrahltriebwerk reduziert sich die Geschwindigkeit des Luftstroms auf Unterschallgeschwindigkeit, obwohl seine Anfangsgeschwindigkeit bis zu Mach = 2 betragen könnte. Tatsächlich finden die Vermischung und Zündung im Unterschallbereich statt17. Allerdings behielt die Überschallströmung ihre Geschwindigkeit in der Brennkammer des Scramjet-Triebwerks bei, und der Fortschritt der Kraftstoffeinspritzung und -mischung in diesem Abschnitt erfolgt mit Überschallgeschwindigkeit. Dieser unterschiedliche Zustand macht diese Prozesse aufgrund der höheren Geschwindigkeit der einströmenden Luft komplexer und komplizierter18,19,20. Tatsächlich begrenzte die hohe Luftgeschwindigkeit die Zeit der Brennstoffvermischung, während es aufgrund der Wechselwirkungen des Luftstrahls mit der Strahlfahne zu mehreren Erschütterungen kam. Um diese Schwierigkeiten zu lösen, wurden nur wenige praktische Systeme entwickelt, um die Effizienz dieses Motortyps auch bei höheren Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten21,22,23.

Wie bereits erwähnt erfolgt die Verteilung und Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkammer und der Mechanismus der Kraftstoffeinspritzung und -mischung erfolgt über die Einspritzmethode (aktiv oder passiv)24,25. Im aktiven Konzept sind Vibrationssplitter, Impulsstrahl und Wellenwand die herkömmlichen Verfahren für die effiziente Einspritzung von Kraftstoff26,27,28. Bei diesen Methoden wird die erzwungene Anregung eines großräumigen Mechanismus verwendet. Andererseits werden Rampen, Drehkolbenmischer, Hähne, Hohlräume und Flügel für den Schuss des Brennstoffs innerhalb der Brennkammer verwendet. Außerdem sind der Quer- und der Gegenstromstrahl die beiden beliebtesten Techniken in dieser Kategorie29,30,31.

Die Anwendung der Querstrahlen wird in diesem Zusammenhang ausführlich untersucht, da sie erhebliche Vorteile beim Mischen des Kraftstoffs bietet32,33. Der Ersatz eines einzelnen Strahls durch mehrere äquivalente Strahlen verbessert auch die Leistung dieses Ansatzes für die Kraftstoffdiffusion durch die Verwendung des Wirbels innerhalb der Lücken der Einspritzdüsen34,35. Aufgrund dieser Vorteile wurde in dieser Arbeit versucht, diese Methodik durch den Einsatz extrudierter Mehrstrahldüsen in Brennkammern zu entwickeln32,36. In den vorgeschlagenen Konfigurationen sind die Kraftstoffdüsen auf einer höheren Ebene positioniert, was die Kraftstoffmischung verbessern und die Wirbelfunktion im Spalt der Einspritzdüsen verstärken kann.

In der vorliegenden Forschungsstudie wird die numerische Strömungsdynamik zur Untersuchung der Strömung um die extrudierten Mehrfachstrahlen im Überschall-Freistrom ausgewählt. Strömungsanalysen werden vorgestellt, um die Auswirkungen von Wirbeln auf den Mechanismus der Kraftstoffverteilung aufzudecken, der auf einen Überschall-Querluftstrom trifft. Die Auswirkungen von Strahlräumen auf die Strahldiffusion und -mischung werden in dieser Forschung vollständig untersucht. Außerdem wird ein Vergleich des Kraftstoffmischungsindex und der Zirkulationsstärke durchgeführt, um die optimalen Bedingungen für die Wasserstoffeinspritzung zu erreichen.

Die rechnerische Visualisierung der Hochgeschwindigkeitsströmung erfolgt hauptsächlich durch die Auflösung von RANS-Gleichungen mit dem SST-Turbulenzmodell37,38. Die Simulation des Wasserstoffstrahls im Luftstrom erfolgt durch Kopplung der Speziestransportgleichung mit den wichtigsten maßgeblichen Gleichungen39. Außerdem führen die kompressiblen Effekte und Jet-Wechselwirkungen zu Stoßwellen, und dies wird durch die Kopplung der Energiegleichung mit Primärgleichungen erreicht. Die Annahme eines idealen Gases ist eine sinnvolle Wahl für die Berechnung der Dichte in unserem Problem. Die wichtigsten Grundgleichungen unseres Problems wurden vollständig in den zuvor veröffentlichten Arbeiten40,41 dargestellt. Zur Lösung unserer wichtigsten maßgeblichen Gleichungen42 wird ein vollständig impliziter Ansatz verwendet.

Die Randbedingungen für unsere vorgeschlagenen Konfigurationen sind in Abb. 1 dargestellt. Das Druckfernfeld wird für den kompressiblen Luftstrom mit Mach = 4 und einer statischen Temperatur von 1000 K bei Atmosphärendruck angewendet43,44. Am unteren und oberen Rand der Domäne wird eine Wand mit konstanter Temperatur betrachtet. Der Wasserstoff ist unser Kraftstofftyp und wird durch vier Einspritzdüsen in unterschiedlichen Höhen von 0, 0,25 mm, 0,5 mm und 0,75 mm vom Boden der Domäne eingespritzt. Die Brennstoffstrahlen werden mit einem Gesamtdruck von 10 % des freien Hauptstroms beaufschlagt. Wie in Abb. 2 dargestellt, werden drei Strahllücken von 4Dj, 7Dj und 10Dj untersucht, da Strahlräume große Auswirkungen auf die Rolle der Zirkulation in den Mehrstrahlkonfigurationen haben. Die Abmessung der Domäne entlang der x-, z- und y-Achse beträgt 100 mm, 5 mm bzw. 8 mm.

Randbedingungen und Modellbeschreibung.

Angewandtes Raster für das ausgewählte Modell.

Das erzeugte Gitter ist auch in Abb. 2 dargestellt. Da die Kraftstoffstrahleinspritzung im Querstrom Stoßwechselwirkungen erzeugt, wird die Auflösung des erzeugten Gitters in der Nähe der Spitze der Strahldüse für die Stoßerfassung erhöht. Die Draufsicht auf das Gitter in Abb. 3 zeigt, dass in dieser Studie die strukturierten Gitter erzeugt werden. Es wurde außerdem festgestellt, dass das angewendete Gitter im gesamten Bereich einheitlich ist, um Fehler aufgrund von Gitterungleichmäßigkeiten zu vermeiden. In dieser Untersuchung wird auch eine Gitterstudie für die Gitterunabhängigkeitsprüfung durchgeführt, wie in Tabelle 1 dargestellt. In dieser Tabelle wird die Kraftstoffmassenkonzentration für die vier erzeugten Gitter auf der bestimmten Oberfläche, die stromabwärts der Einspritzdüsen positioniert ist, verglichen. Die präsentierten Daten deuten darauf hin, dass das feine Raster für die kommenden Simulationen zufriedenstellend ist.

Mach-Kontur in einem Düsenflugzeug.

Die Auswertung der numerischen Daten mit praktischer Arbeit erfolgt auch zur Bewertung der Richtigkeit der erzielten Ergebnisse45,46,47. In dieser Arbeit wird der Wert der Eindringhöhe hinter einem einzelnen Injektor mit einem Durchmesser von 2 mm mit weiteren wissenschaftlichen Arbeiten gleichgesetzt. Unsere Daten werden mit anderen Werken gleichgesetzt. Der Trend der Ergebnisse und Abweichungen von anderen Untersuchungen deuten darauf hin, dass die erhaltenen Ergebnisse rational sind48,49.

Die Grenzfläche zwischen den Düsen ist entscheidend für die Kraftstoffmischung in einem Mehrstrahlsystem. Abbildung 3 zeigt den Einfluss von drei unterschiedlichen Strahlspalten auf die Wechselwirkung von Kraftstoffstrahlen innerhalb der Brennkammer, wo Kraftstoffeinspritzdüsen mit ähnlicher Höhe extrudiert werden. Der erste wichtige Faktor im Zusammenhang mit diesen Konfigurationen ist der Winkel des Bugshacks. Es scheint, dass der Bugstoßwinkel des Modells mit Strahlraum = 3Dj höher ist als bei anderen Anordnungen. Die Variation der Scherschicht wird in der Abbildung ebenfalls hervorgehoben, um zu erkennen, dass das Strahlmerkmal die Symmetrieebene ist, in der die Hauptwechselwirkungen stattfinden. Es wird beobachtet, wie Strahlräume und vorgelagerter Strahl die Ablenkung von Laufstößen beeinflussen. Durch die Vergrößerung der Düsenabstände wird die Ablenkung der Laufstöße verstärkt.

Die Strömungs- und Massenkonzentration dieser Konfigurationen ist in Abb. 4 dargestellt. Die Konzentration der Wasserstoffstrahlen ist in der Nähe der Konfiguration mit weniger Strahlraum hoch, während Strahlkonfigurationen mit großen Spalträumen zu einer geringeren Kraftstoffkonzentration im Spalt extrudierter Einspritzdüsen führen. Die Abbildung zeigt auch, dass die Wirbelstruktur in hohen Strahlspalten stärkere Auswirkungen hat. Im Strahlraum von 7Dj ist die Höhe des Mischbereichs gleichmäßiger als bei anderen Konfigurationen, während die Kraftstoffverteilung in einer größeren Entfernung erfolgt.

Bewertung des Mischbereichs im Düsenflugzeug.

Die 3D-Visualisierung des Strahlstroms in den ausgewählten Konfigurationen ist in Abb. 5 dargestellt. Die Merkmale von Strahl und Strahl zeigen, dass der Strömungswirbel im Modell mit kleinen Strahlräumen besser sichtbar ist. Die Jet-Wechselwirkungen sind in den niedrigen Jet-Räumen höher, je näher der Laufschock ist. Abbildung 6 veranschaulicht die Strömungshydrodynamik mit Schwerpunkt auf Zirkulationen innerhalb des Strahlspalts. Diese Struktur ist in der Konfiguration mit einer Strahllücke von 7Dj dominant. Durch die Vergrößerung des Düsenraums wird die Strömung innerhalb der extrudierten Düsen nicht eingeschränkt. Darüber hinaus begrenzte ein geringerer Spalt den Massenstrom innerhalb der extrudierten Düsen und begrenzte so dessen Auswirkungen auf den Strahlstrom und die Ausbreitung in der Brennkammer. Es sind Mehrstrahlkonfigurationen bekannt, die vor der ersten Düse einen hufeisenförmigen Wirbel erzeugen. Die Größe und Stärke dieses Wirbels wird durch die Grenzfläche zwischen dem ersten Strahl und dem Hauptstrom beeinflusst. Wie bereits erwähnt, vereinen sich die Strahlen, wenn der untere Strahlabstand verringert wird, und wirken wie ein ausgedehnter Strahl, was die Wechselwirkung mit dem freien Strahl verstärkt und dazu führt, dass sich der Hufeisenwirbel weiter in den Bereich hinein ausdehnt. Dies führt zu einer verbesserten Kraftstoffmischung in der Nähe der Einspritzdüsen.

Assoziation der Treibstoffstrahl-Wechselwirkungen für ungleiche Strahlräume.

Bewertung des Strömungsstroms und seines Einflusses auf den Kraftstoffmischmechanismus.

Abbildung 7 zeigt die Mischzone und die Strömungsstruktur in der Nähe des Injektors (x/Djet = 5) und in der Ferne (x/Djet = 15). In der Nähe von Injektoren gibt es zwei charakteristische Wirbel, die im Tiefstrahlraum von 3Dj stärker auffallen. Der obere und der untere Wirbel entstehen durch die Kommunikation der Jets mit der Hauptströmung. Wie im vorherigen Absatz beschrieben, ist der untere Wirbel auf den Hufeisenwirbel zurückzuführen und seine Stärke hängt mit den Verbindungen des Überschallluftstroms mit den ersten Strahlen zusammen. Der obere Wirbel hängt mit der Geschwindigkeitsdifferenz aufgrund der Wirbelerzeugung im Spalt extrudierter Düsen zusammen. In großer Entfernung sind die Auswirkungen der Strahlanordnungen nicht spürbar (Abb. 7).

Abschätzung und Vergleich der Mischzone und Strömung auf Ebenen stromabwärts der extrudierten Düsen.

Abbildung 8 vergleicht die Änderung des Zirkulationsfaktors in der Nähe der Injektoren sowie der nachgeschalteten Extruderdüsen. Die erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die maximale Zirkulationsstärke im Modell mit einem Strahlabstand von 7 Dj festgestellt wurde. Tatsächlich würde eine Verkleinerung des Strahlraums auf weniger als 7Dj die Wirbeleffekte begrenzen, während die Vergrößerung des Abstands der Injektoren die Bildung von Wirbeln in Strahlspalten nicht zulassen würde, wie am Trend des Zirkulationsfaktors im Spalt der letzten beiden Strahlen zu erkennen ist. Außerdem ist in allen Fällen die Durchblutungsstärke in größeren Entfernungen vermindert.

Differenz des Zirkulationsfaktors entlang der Strahlen.

Abbildung 9 zeigt die Ungleichheit der Kraftstoffmischung stromabwärts der verschiedenen Spalte extrudierter Düsen zusammen mit einer einfachen Mehrstrahlkonfiguration ohne extrudierte Düsen. Eine Vergrößerung des Strahlspalts würde die Durchmischung in der Ferne erhöhen, während alle Strahlen in der Nähe der ersten Düse eine ähnliche Mischeffizienz aufweisen. Der Vergleich der extrudierten Düsenkonfiguration mit einer einfachen Düse zeigt, dass die Anwendung der extrudierten Düse und des gleichen Strahlraums die Kraftstoffmischung im Abstand von 25 mm bis 40 mm hinter der ersten Düse um etwa 42 % erhöhen würde. Dies zeigt die Einflüsse der Wirbelbildung im Spalt des Injektors. Die normale Mischleistung des Modells mit Düsenabstand von 7 Dj und 10 Dj in Abständen von 30 mm bis 40 mm ist nahezu gleich. Allerdings beträgt die Mischleistung des Falles bei einer Lücke von 7Dj etwa 12 % mehr als bei 10Dj.

Rolle der Strahlräume auf die Mischleistung extrudierter Düsen.

Die Auswirkungen der extrudierten Düse auf die Kraftstoffmischung von Mehrkreisstrahlen werden bei Überschallquerströmung vollständig untersucht. Die Auswirkungen von Strahlräumen auf die Größe des Mischbereichs werden aufgezeigt und der Mechanismus der Kraftstoffverteilung durch die extrudierte Düse dargestellt. CFD wird zur Visualisierung der hochkompressiblen Strömung mit Kreuzmultijets eingesetzt. Es werden die Einflüsse von Strahlräumen auf die Mischstärke und die Zirkulationseffizienz untersucht und die Mischeffekte mehrfach extrudierter Düsen mit einfachen Düsen im Detail verglichen. Ein Vergleich der extrudierten Düsen mit einfachen Düsen bestätigt die höhere Mischeffizienz extrudierter Düsen. Nach unseren Erkenntnissen wird durch den geringeren Strahlabstand die Bildung von Wirbeln innerhalb des Spalts eingeschränkt. Umgekehrt verringert eine Vergrößerung des Düsenspalts die Stärke des Wirbels, selbst bei Verwendung extrudierter Düsen. Wir haben beobachtet, dass der Mischmechanismus eng mit dem Vorhandensein starker Wirbel in Strahlentfernung verknüpft ist.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Forschung erhielt keine spezifischen Zuschüsse von Förderstellen im öffentlichen, kommerziellen oder gemeinnützigen Sektor.

Fakultät für Maschinenbau, Universität Tabriz, Tabriz, Iran

Seyyed Amirreza Abdullahi

Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, College of Engineering and Applied Sciences, Western Michigan University, Kalamazoo, MI, 49008, USA

Ghazal Rajabikhorasani

Fakultät für Bauingenieurwesen, College of Engineering, Cihan-Universität-Erbil, Erbil, Irak

As'ad Alizadeh

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SAA: schrieb den Haupttext des Manuskripts, bereitete Abbildungen und Tabellen vor und überprüfte das Manuskript. GR: schrieb den Haupttext des Manuskripts, bereitete Abbildungen und Tabellen vor und überprüfte das Manuskript. AA: schrieb den Haupttext des Manuskripts, bereitete Abbildungen und Tabellen vor und überprüfte das Manuskript.

Korrespondenz mit Seyyed Amirreza Abdollahi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Abdollahi, SA, Rajabikhorasani, G. & Alizadeh, A. Einfluss einer extrudierten Einspritzdüse auf die Kraftstoffmischung und Massendiffusion von Mehrkraftstoffstrahlen im Überschallquerstrom: rechnerische Studie. Sci Rep 13, 12095 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39306-z

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Eingegangen: 10. Juni 2023

Angenommen: 23. Juli 2023

Veröffentlicht: 26. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39306-z

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