A aplicação de ondas de choque pode melhorar as condições para a mistura de fluidos em motores de combustão supersônicos, pavimentando o caminho para voos em velocidades cinco vezes mais rápidas do que a velocidade do som.

Ivan Bermejo-Moreno gosta do seu café com um toque de turbulência. Mas em vez de misturar café e creme com uma colher, quando se trata de aviões a jato hipersônicos - aviões que podem voar cinco vezes mais rápido do que o som - ele gosta de misturar oxigênio do ar e combustível de jato usando algo um pouco mais forte:ondas de choque.

Princípios semelhantes governam a mistura de fluidos em motores de aeronaves, onde o oxigênio do ar tem que se misturar com o combustível para ajudar a impulsioná-lo a uma determinada velocidade. Pesquisadores da USC no Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica da USC Viterbi, incluindo Xiangyu Gao, um USC Viterbi Ph.D. aluno que recentemente defendeu sua dissertação, e seu orientador de doutorado, Professor Assistente Ivan Bermejo-Moreno, estão estudando como obter uma mistura eficiente em altas velocidades. A melhor mistura permite que os motores de combustão supersônicos - nos quais o fluxo de ar é maior que a velocidade do som - permaneçam mais curtos enquanto permitem que os veículos se movam hipersonicamente. Uma abordagem para conseguir isso é usar ondas de choque.

Uma onda de choque é caracterizada por uma mudança abrupta na pressão, temperatura e densidade de um meio e se move mais rápido do que a velocidade local do som. "Sem aplicar uma onda de choque, a mistura ocorrerá, como no exemplo com café e creme, mas vai demorar muito mais, "Bermejo-Moreno disse." As ondas de choque amplificam a turbulência - semelhante a uma colher no exemplo do café - e quanto mais turbulência você tem, quanto mais rapidamente a mistura pode ocorrer. "

Os pesquisadores publicaram recentemente um estudo no Journal of Fluid Mechanics , que compartilha as condições em que essa mistura rápida - que oferece suporte mais rápido, veículos mais eficientes - podem ocorrer. Uma vez que uma onda de choque - uma perturbação súbita e forte em um meio - é produzida, a velocidade do fluido que passa por ele será drasticamente reduzida, também permitindo mais tempo para a mistura. Isso coloca o combustível e o ar em melhores condições de combustão, e vai aumentar a temperatura, tornando mais fácil a auto-ignição, disseram os pesquisadores.

Em condições em que a mistura pode ser tratada de forma eficiente o suficiente para suportar veículos hipersônicos, existem inúmeras implicações, incluindo aplicações comerciais para a exploração do espaço.

Disse Bermejo-Moreno:“Imagine em vez de um foguete que você tenha algo mais leve e menor que poderia nos levar até Marte. A combinação de scramjets e motores de detonação rotativos, ambos baseados em ondas de choque e turbulência, que um dia faça exatamente isso. "

A equipe de pesquisa também inclui Johan Larsson, professor associado de engenharia mecânica da Universidade de Maryland. Os pesquisadores conduziram este estudo realizando simulações numéricas massivamente paralelas nos supercomputadores do Centro de Computação de Alto Desempenho da USC e no Laboratório Nacional de Argonne.

Blocos de construção fundamentais de fluxo

O estudo isolou a física que os pesquisadores estavam interessados ​​em explorar usando uma configuração geométrica fundamental - essencialmente uma caixa - e removendo variáveis ​​relacionadas ao atrito da superfície na natureza do fluido ou fluxo de ar. No estudo, o fluxo viria de um lado da caixa e encontraria uma onda de choque criada pelo controle cuidadoso da pressão dentro da caixa. Em seguida, ele sai pelo lado oposto da caixa, Disse Bermejo-Moreno.

"Desta maneira, isolamos a interação entre fluxos turbulentos e ondas de choque, "Bermejo-Moreno disse. Embora as pessoas tenham estudado a interação pura de turbulência e ondas de choque no passado, os pesquisadores disseram que apenas alguns estudos enfocaram a mistura nesta configuração. As ondas de choque são geradas pela grande velocidade (supersônica) do ar ao encontrar as entradas de ar, Disse Bermejo-Moreno. Deflexões geométricas, como cantos, geralmente são suficientes para produzir ondas de choque.

Os pesquisadores estudaram uma gama maior de parâmetros do que em estudos anteriores, também, incluindo variações nas velocidades de entrada do fluxo de ar. Os pesquisadores também observaram diferentes níveis de turbulência.

"Para visualizar turbulências, considere uma torneira, "Bermejo-Moreno disse." Quando a torneira mal está aberta, o fluxo é lento, transparente e suave - conhecido como laminar. Mas à medida que você continua abrindo a torneira, a velocidade da água aumenta. O fluxo de água fica embaçado e não é mais transparente - é o que você chamaria de turbulento. A mesma coisa acontece no ar e nas misturas de ar e combustível que discutimos em veículos hipersônicos. "

Os pesquisadores disseram que estão mais interessados ​​em fluxos turbulentos, porque eles são mais representativos do que realmente está acontecendo na realidade. Assim como quando você adiciona leite ao seu café e não o agita, sem uma onda de choque, o que aumenta a turbulência, a mistura ocorrerá, mas levará muito mais tempo. No estudo, os pesquisadores descobriram que, embora algumas quantidades relacionadas aos níveis de mistura irão saturar após uma certa amplificação da turbulência, outros continuarão aumentando, sugerindo que a mistura continua a melhorar à medida que a turbulência aumenta.

Em seguida, os pesquisadores esperam olhar para geometrias adicionais e ver como elas se misturam. "No futuro, um dos elementos que queremos investigar é como diferentes formas de estruturas turbulentas - conhecidas como redemoinhos - impactam a mistura. Por exemplo, como uma estrutura semelhante a um tubo pode impactar o transporte e a mistura de combustível e ar de forma diferente de uma estrutura semelhante a uma folha. "Se você conhece o tipo de estruturas turbulentas que são dominantes na mistura, então você pode querer produzir mais dessas estruturas, "Disse Bermejo-Moreno.