The combustion process in a scramjet. Experimental study of the effectiveness of supersonic waves in the combustion of a scramjet conducted in a mini wind tunnel at the University of Minnesota

Abstract

Los scramjets son motores diseñados para operar a velocidades hipersónicas. Los scramjets alimentados por combustibles líquidos se enfrentan al problema de lograr una disgregación y mezcla adecuada del combustible con el aire en el corto tiempo de permanencia dentro de la cámara de combustión. Sin ello, la combustión no es tan eficiente como podría llegar a ser.

Uno de los mecanismos más prometedores para lograr una buena mezcla es la inyección de un chorro de combustible líquido en el flujo cruzado supersónico. Es lo que se conoce como LJISC (liquid jet in supersonic crossflow). El LJISC se viene estudiando de manera experimental desde 1950 y aunque se han conseguido extraer importantes conclusiones, todavía queda mucho por conocer acerca de ello. Es por esto, que en el laboratorio de la Universidad de Minnesota se ha llevado a cabo un estudio experimental para analizar el comportamiento de un chorro de líquido inyectado en un flujo supersónico con el objetivo de investigar nuevos métodos que fomenten a la atomización y mezcla de dicho chorro con el aire.

En el laboratorio se ha construido un mini túnel de viento en el que se ha añadido una cuña en su parte superior para estudiar el efecto que tiene sobre el chorro de líquido inyectado. Los resultados se han analizado a través de las técnicas de fotografía Schlieren y de imagen directa.

Se llevaron a cabo dos experimentos. En el primero de ellos, se analizó el comportamiento de las ondas supersónicas y en el segundo, se estudió la altura de penetración del chorro. Los resultados obtenidos resultan muy interesantes, aunque no se pueden sacar conclusiones definitivas. Más experimentación es necesaria para poder conocer el efecto real de las ondas supersónicas producidas por una cuña en el proceso de atomización de un líquido en un flujo supersónico.

Scramjets are engines designed to operate at hypersonic speeds. Liquid-fuel scramjets face the problem of achieving a proper fuel disaggregation and mixing with the air in the short residence time inside the combustion chamber. Without it, combustion is not as efficient as it could be.

One of the most promising mechanisms to achieve a good mixing is the injection of the liquid jet of fuel into the supersonic crossflow. This is known as LJISC (liquid jet in supersonic crossflow). The LJISC has been studied since the 1950s and many authors have drawn important conclusions experimentally. However, much remains to be known and much more experimentation is needed in many areas to better scramjet performance. For this reason, an experimental study has been carried out at the laboratory of the University of Minnesota to analyze the behavior of a liquid jet injected into a supersonic crossflow with the objective of investigating new methods to promote atomization and mixing of the jet with the air.

In the laboratory, a mini wind tunnel was built with the addition of a wedge at the top to study the effect it had on the jet. The results were analyzed using Schlieren photography and direct imaging techniques.

Two experiments were carried out. In the first one, the behavior of supersonic waves was analyzed and in the second one, the penetration height of the jet was studied. The results obtained were very interesting, although no definitive conclusions can be drawn. More experimentation is needed to know the real effect of supersonic waves produced by a wedge in the process of atomization of a liquid in a supersonic flow.