WASHINGTON, 8. Juni 2021 – Verbrennungsmotoren können hochfrequente Schwingungen entwickeln, die zu strukturellen Schäden an den Motoren und unsicheren Betriebsbedingungen führen. Ein detailliertes Verständnis des physikalischen Mechanismus, der diese Schwingungen verursacht, ist erforderlich, fehlt aber bisher.

Im Physik von Flüssigkeiten, von AIP Publishing, klärt Forschung der Tokyo University of Science und der Japan Aerospace Exploration Agency die Rückkopplungsprozesse, die diese Schwingungen in Raketentriebwerken verursachen.

Die Forscher untersuchten simulierte Verbrennungsereignisse in einem Computermodell einer Raketenfeuerungsanlage. Ihre Analyse umfasste fortschrittliche Techniken, einschließlich symbolischer Dynamik und der Verwendung komplexer Netzwerke, um den Übergang zu oszillierendem Verhalten zu verstehen.

Techniken der symbolischen Dynamik ermöglichten es den Wissenschaftlern, Ähnlichkeiten im Verhalten zwischen zwei Variablen zu identifizieren, die das Verbrennungsereignis charakterisieren. Sie fanden eine Beziehung zwischen Fluktuationen in der Durchflussmenge des Brennstoffeinspritzventils und Fluktuationen in der Wärmefreisetzungsrate der Brennkammer.

Ein Raketentriebwerk verwendet Injektoren, um einen Brennstoff, typischerweise Wasserstoffgas, H2, und ein Oxidationsmittel, Sauerstoffgas, O2, an eine Brennkammer zu liefern, wo die Zündung und anschließende Verbrennung des Brennstoffs stattfindet.

„Periodischer Kontakt des unverbrannten H2/O2-Gemisches mit Hochtemperaturprodukten des H2 [and] Luftflamme führt zu starken Schwankungen im Zündort“, sagt Autor Hiroshi Gotoda.

Schwankungen im Zündort bewirken Schwankungen der Wärmefreisetzungsrate, die Druckschwankungen im Brennraum beeinflussen.

„Wir haben festgestellt, dass die Schwankungen der Wärmefreisetzung und der Druckschwankungen miteinander synchron sind“, sagte Gotoda.

Das Produkt aus Druck- und Wärmefreisetzungsratenschwankungen in der Brennkammer ist eine wichtige physikalische Größe, um den Ursprung von Verbrennungsschwingungen zu verstehen. Regionen, in denen dieses Produkt größer als Null ist, entsprechen Schallquellen, die die Vibrationen antreiben.

Die Forscher entdeckten Stromquellen in der Scherschicht nahe der Injektorkante. Diese Kraftwerke würden plötzlich kollabieren und in regelmäßigen Abständen stromaufwärts wieder auftauchen, was zu Verbrennungsschwingungen führt.

„Das Wiederauftreten der Bildung und des Zusammenbruchs von thermoakustischen Quellenclustern in der hydrodynamischen Scherschichtregion zwischen dem inneren Oxidationsmittel und den äußeren Brennstoffstrahlen spielt eine wichtige Rolle beim Antreiben von Verbrennungsoszillationen“, sagte Gotoda.

Die Forscher glauben, dass ihre Analysemethode zu einem besseren Verständnis der gefährlichen Schwingungen führen wird, die manchmal in Raketentriebwerken und anderen Brennkammern auftreten.

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Der Artikel „Mechanism of Bildung hochfrequenter Verbrennungsschwingungen in einem Verbrennungsmotor einer Modellrakete“ wurde von Satomi Shima, Kosuke Nakamura, Hiroshi Gotoda, Yuya Ohmichi und Shingo Matsuyama geschrieben. Der Artikel erscheint in Physik von Flüssigkeiten am 8. Juni 2021 (DOI: 10.1063/5.0048785). Nach diesem Datum kann darauf zugegriffen werden: https:///aip.Zitat.Organisation/mach/voll/10.1063/5.0048785.

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