Air-fuel mixing and flame-holding are two important factors that have to be considered in the design of an injection system. Different injection strategies have been proposed with particular concern for rapid air-fuel mixing and flame-holding. Two representative injection techniques can be applied in a supersonic combustor. One of the simplest approaches is a transverse(normal) injection. The cavity flame holder, an integrated fuel injection/flame-holding approach, has been proposed as a new concept for flame holding and air-fuel mixing in a supersonic combustor. This paper describes numerical efforts to characterize the flame-holding and air-fuel mixing process of a model scramjet engine combustor, where hydrogen is injected into a supersonic cross flow and a cavity. The combustion phenomena in a model scramjet engine, which has been experimentally studied at University of Queensland and Australian National University using a free-piston shock tunnel, were observed around the separation region of the transverse injector upstream and the inside cavity. The results show that this flow separation generates recirculation regions which increase air-fuel mixing. Self-ignition occurs in the separation-freestream and cavity-fteestream interfaces.
한국항공우주연구원은 비행시험용 스크램제트 엔진의 최적 형상을 도출을 목표로 추력 노즐 변화에 따른 스크램제트 엔진의 특성을 파악하고자 여러 가지 형상의 추력 노즐을 설계 및 제작하였다. 성능시험은 호주 University of Queensland의 T4 충격파 터널에서 수행되었으며, 총 8종의 노즐과 2 종의 측벽이 시험되었다. 본 논문에는 스크램제트 엔진의 추력 노즐과 측벽의 설계 및 사양을 정리하였다. 또한 스크램제트 엔진 Baseline의 정압력과 노즐 출구 피토 압력 분포를 계산한 결과 양의 비추력을 얻었음을 확인하였다.
To address the problems caused by the strong coupling of an airbreathing hypersonic vehicle's airframe and propulsion to the integrated control system design, an integrated airframe-propulsion model is established, and the coupling characteristics between the aircraft and engine are analyzed. First, the airframe-propulsion integration model is established based on the typical nonlinear longitudinal dynamical model of an air-breathing hypersonic vehicle and the one-dimensional dual-mode scramjet model. Thrust, moment, angle of attack, altitude, and velocity are used as transfer variables between the aircraft model and the engine model. The one-dimensional scramjet model can accurately reflect the working state of the engine and provide data to support the coupling analysis. Second, owing to the static instability of the aircraft model, the linear quadratic regulator (LQR) controller of the aircraft is designed to ensure attitude stability and height tracking. Finally, the coupling relationship between the aircraft and the engine is revealed through simulation examples. The interaction between vehicle attitude and engine working condition is analyzed, and the influence of vehicle attitude on engine safety is considered. When the engine is in a critical working state, the attitude change of the aircraft will not affect the engine safety without considering coupling, whereas when coupling is considered, the attitude change of the aircraft may cause the engine unstart, which demonstrates the significance of considering coupling characteristics.
A numerical study was carried out to investigate combustion phenomena in a model Scramjet engine, which had been experimentally studied at the University of Tokyo using a high-enthalpy supersonic wind tunnel. The main airflow was Mach number 2.0 and the total temperature of hot flow was 1800K. Equivalence ratio was set to be 0.26 which is higher than that of experiment to investigate the effect of strong precombustion shock. The results showed that self-ignition occurred at the rear bottom wall of the combustor and combined with the shear layer flame between fuel jet and main airflow. Then, precombustion shock was generated at the step location and reversely enhanced the mixing and combustion process behind the shock. Due to the high equivalence ratio, the precombustion shock moved upstream of the step compared with that of experiment.
The model cavity scramjet engine experiments are carried out using T3 free-piston shock tunnel. Upstream hydrogen fuel is injected before the cavity with different injection pressure. OH planar laser-induced fluorescence is used to investigate the combustion zone and piezoelectric pressure transducers are used to define the pressure rise due to the combustion. Main combustion region is a mixing layer which is between air and fuel. Also high OH fluorescence signal is appeared in the shear layer above the cavity in high equivalence ratio. From the OH signal in the cavity, this fuel injection system can be a role as a flame-holder.
A numerical study was carried out to investigate the combustion phenomena in a model Scramjet engine, which had been experimentally studied in the University of Tokyo using a high-enthalpy supersonic wind tunnel. The main airflow was 2.0 in Mach number and the total temperature of hot flow was 1800K. Equivalence ratio was set to be rather higher value of 0.26 than that of experiment to investigate the effect of strong precombustion shock. The results showed that self-ignition occurred at the rear bottom wall of the combustor and combined with the shear layer flame between fuel jet and main airflow. Then, precombustion shock was generated at the step location and reversely enhanced the mixing and combustion process behind the shock. Due to the high equivalence ratio, the precombustion shock moved upstream of the step compared with that of experiment.
The model cavity scramjet engine experiments are carried out using T3 free-piston shock tunnel. Upstream hydrogen fuel is injected before the cavity with different injection pressure. OH planar laser-induced fluorescence is used to investigate the combustion zone and piezoelectric pressure transducers are used to define the pressure rise due to the combustion. Main combustion region is a mixing layer which is between air and fuel. Also high OH fluorescence signal is appeared in the shear layer above the cavity in high equivalence ratio. From the OH signal in the cavity, this fuel injection system can be a role as a flame- holder.
A technological review and analysis were performed on thermal cracking of aviation hydrocarbon fuels that circulate as coolants in regenerative cooling systems of hypersonic flights. Liquid hydrocarbons decompose into low-carbon-number hydrocarbons when they absorb a considerable amount of energy at extremely high temperatures, and these thermal cracking behaviors are represented by heat sink capacity, conversion ratio, reaction products, and coking propensity. These parameters are closely interrelated, and thus, they must be considered for optimum performance in terms of the overall heat absorption in the regenerative cooling system and supersonic combustion in the scramjet engine.
Candon, Michael J.;Ogawa, Hideaki;Dorrington, Graham E.
Advances in aircraft and spacecraft science
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제2권2호
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pp.183-198
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2015
Scramjets are a class of hypersonic airbreathing engine that are associated with realizing the technology required for economical, reliable access-to-space and high-speed atmospheric transport. After-burning augments the thrust produced by the scramjet nozzle and creates a more robust nozzle design. This paper presents a numerical study of three parameters and the effect that they have on thrust augmentation. These parameters include the injection pressure, injection angle and streamwise injection position. It is shown that significant levels of thrust augmentation are produced based upon contributions from increased pressure, mass flow and energy in the nozzle. Further understanding of the phenomenon by which thrust augmentation is being produced is provided in the form of a force contribution breakdown, analysis of the nozzle flowfields and finally the analysis of the surface pressure and shear stress distributions acting upon the nozzle wall.
Liquid hydrocarbon fuels are gathering increasing attention as candidates for a scramjet engine fuel. Experimental researches on supersonic combustion of kerosene have been conducted in model scramjet combustors. Through these works, understanding of combustion characteristics of kerosene have been revealed on some level, and so we decided to work on other kinds of liquid hydrocarbon fuels in order to explore effects of fuel properties on supersonic combustion performances, especially self-ignition and flame-holding. In addition, comparing the results of new fuels with kerosene, the relationship between fuel properties and supersonic combustion characteristics was discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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