Câmara de combustão durante as oscilações de combustão em um motor de foguete modelo. Crédito:Hiroshi Gotoda
Os motores de combustão podem desenvolver oscilações de alta frequência, levando a danos estruturais aos motores e condições de operação inseguras. Uma compreensão detalhada do mecanismo físico que causa essas oscilações é necessária, mas não existia até agora.
No Física dos Fluidos , pesquisas da Universidade de Ciência de Tóquio e da Agência de Exploração Aeroespacial do Japão esclarecem os processos de feedback que dão origem a essas oscilações nos motores de foguetes.
Os pesquisadores estudaram eventos de combustão simulados em um modelo computacional de um combustor de foguete. Sua análise envolveu técnicas sofisticadas, incluindo dinâmica simbólica e o uso de redes complexas para entender a transição para o comportamento oscilatório.
As técnicas de dinâmica simbólica permitiram aos cientistas determinar semelhanças de comportamento entre duas variáveis que caracterizam o evento de combustão. Eles encontraram uma relação entre as flutuações na velocidade do fluxo do injetor de combustível e as flutuações na taxa de liberação de calor do combustor.
Um motor de foguete usa injetores para fornecer combustível, normalmente gás hidrogênio, H 2 , e um oxidante, gás oxigênio, O 2 , para uma câmara de combustão onde ocorre a ignição e subsequente combustão do combustível.
"Contato periódico do H não queimado 2 / O 2 mistura com produtos de alta temperatura do H2 [e] chama de ar dá origem a flutuações significativas no local de ignição, "disse o autor Hiroshi Gotoda.
As flutuações no local de ignição produzem flutuações na taxa de liberação de calor, que afeta as flutuações de pressão no combustor.
"Descobrimos que as flutuações de liberação de calor e as flutuações de pressão se sincronizam entre si, "disse Gotoda.
O produto das flutuações da pressão e da taxa de liberação de calor no combustor é uma quantidade física importante para entender a origem das oscilações de combustão. As regiões onde este produto é maior que zero correspondem às fontes de potência acústica que conduzem as oscilações.
Os investigadores descobriram fontes de energia na camada de cisalhamento perto da borda do injetor. Essas fontes de energia entrariam em colapso repentinamente e ressurgiriam a montante de uma forma periódica, levando a oscilações na combustão.
"A repetição da formação e colapso de aglomerados de fontes termoacústicas na região da camada de cisalhamento hidrodinâmico entre o oxidante interno e os jatos de combustível externos desempenha um papel importante na condução das oscilações de combustão, "disse Gotoda.
Os investigadores acreditam que seu método de análise levará a uma melhor compreensão das oscilações perigosas que às vezes surgem em motores de foguetes e outros combustores.
