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Mingbo Sun
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Experimental study on the penetration and evaporation characteristics of a liquid kerosene jet in the supersonic crossflow

Zhou Jin et al.Jul 1, 2024
The penetration and evaporation characteristics of a liquid kerosene jet in the supersonic crossflow were experimentally investigated in this study. The experiments were carried out in both cold and high-enthalpy inflows. Detailed spray images were obtained using planar laser scattering techniques. The structures of the spray field were further analyzed on the basis of high spatial and temporal resolution images. The results show that the atomization and evaporation characteristics of a liquid kerosene jet are related to the crossflow temperature, liquid–gas momentum flux ratio, and injection distance. It is found that the breakup process of a liquid jet is accelerated in the high-enthalpy inflow. To accurately describe the maximum flow distance along the direction that kerosene can reach in the state of droplets, the survival distance is defined. It is revealed that the penetration depth and survival distance of the liquid kerosene jet decrease clearly with increase in the crossflow temperature. For the cavity-based combustor, the liquid kerosene jet can mix more sufficiently in the cavity region by reducing the injection distance and liquid–gas momentum flux ratio.
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High spatiotemporal frame-straddling focusing schlieren imaging in a scramjet engine

Zhixin Zhao et al.Aug 7, 2024
Abstract Flow visualization in harsh environments such as a scramjet combustor featuring highly turbulent supersonic reactive flow with intensive luminescence emission is challenging and typically lack of sufficient spatiotemporal resolution that is essential for resolving flow dynamics. This study presents a development of a robust flow visualization technique with an exceptional spatiotemporal resolution in a scramjet combustor. By utilizing a customized LED light source, the short pulse duration along with a high peak power and a single-color emission ensures an instantaneous exposure with little background luminescence interference. Focusing schlieren image measurements with mitigated path-integration effect are successfully demonstrated in a scramjet engine combustor at instant, frame-straddling, and sequential temporal resolutions of 100 ns, 500 ns, and 26 μs, respectively, along with a megapixel imaging resolution. Consequently, in addition to flow visualization, it is worth highlighting that the exceptional spatiotemporal correlation resolved by present measurements exhibits attractive potentials of velocimetry for harsh high-speed flow environments.
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Thermo-chemical nonequilibrium effects on combustion characteristics of a transverse jet in the scramjet

Jincheng Zhang et al.Jun 1, 2024
As the Mach number increases, the local static temperature gradually approaches the characteristic gas vibration/dissociation temperature, and significant thermo-chemical relaxation processes occur. The thermo-chemical nonequilibrium phenomenona could affect the mixing and combustion process and become a factor that must be considered for scramjet design. In this paper, a large eddy simulation solver based on the two-temperature model is developed. The transfer terms between vibrational and trans-rotational energy are modeled by the Landau–Teller formulation and the vibrational-dissociation coupling is considered by adopting the Park model. Three sets of simulations based on the Hyshot Ⅱ engine configuration with different models were performed simultaneously to validate numerical methods and analyze results. The results reveal that the shock, cross-injection of fuel, and Prandtl-Meyer flow induce significant nonequilibrium regions. The vibration relaxation process in the jet mixing region is frozen, the vibration temperature is much higher than the trans-rotational temperature, and the extra energy is converted from the vibration mode to the trans-rotational mode, resulting in the increase of the trans-rotational temperature and the advance of auto-ignition in the nonequilibrium condition. Considering the vibration-dissociation coupling, the higher vibration temperature promotes dissociation. It inhibits the generation of active radicals in the ignition process, weakening the enhancement effect of nonequilibrium on auto-ignition. In the expanded nozzle, the concentrations of molecules and trans-rotational temperature in nonequilibrium cases are slightly lower than those in the equilibrium case due to the enhancement of dissociation.
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Generation of inflow turbulence using an improved synthetic eddy method

W. Long et al.Aug 1, 2024
The generation of turbulent inflow conditions is a key issue in large eddy simulation (LES) or direct numerical simulation (DNS). In this paper, an improved synthetic eddy method (SEM) is proposed to generate inflow turbulence for LES and DNS. The improvements about SEM focus on the eddy radius and eddy distributions. First, the eddy radius is improved to reduce the nonphysical vortex structure on the wall caused by overestimation of the radius. Second, a sampling method using Gaussian distribution is proposed to improve the distribution of eddies, which accurately captures the randomness of turbulent structure size and is close to the actual flow field. The improved method is applied to the direct numerical simulation of the supersonic turbulent boundary layer at Mach 2.7 and the 24° compression ramp. Results indicate that the predictions yielded by the improved method are in good agreement with both DNS and experimental data. Compared to the original method, the improved method exhibits a more rapid recovery of the friction coefficient and effectively shortens the development distances. The improved SEM has enhanced the efficiency and accuracy of generating inlet turbulence, which can provide inlet turbulence boundary conditions for LES and DNS.
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Numerical study of the effects of unmatched pressure on the supersonic particle-laden mixing layer

Xiaolong Yang et al.Nov 1, 2024
The dispersion of monodisperse, inertial particles in a supersonic mixing layer consisting of two sheared flows with differing pressures (P1 for the particle-laden jet flow and P2 for the airflow) is numerically investigated using large Eddy simulation and Euler–Lagrange methods. The calculations reveal the following insights: The pressure disparity between the two flows induces a transverse gas flow effect, which swiftly deflects the mixing layer from the high-pressure side to the low-pressure side. The growth rate of mixing layer increases with the ratio of P2/P1 and while the deflected displacement correlates with the pressure difference |P2-P1|. However, the particles exhibit delayed tracking characteristics to the deflected mixing layer because of their relative relaxation to the transverse gas velocity, particularly in the upstream region of the mixing layer (also known as the Kelvin–Helmholtz instability developing zone or KH zone). Notably, when the P2 exceeds that of the P1, particles can more easily penetrate into the vortices of KH zone, significantly enhancing the downstream gas–particle mixing. This mixing enhancement is particularly pronounced for larger particles due to their increased inertia, which allows them to advance into the vortices of KH zone more effectively than smaller ones.
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Effect of injection distance on supersonic combustion under different combustion modes

Fan Li et al.Nov 1, 2024
The effect of injection distance on supersonic combustion under different modes in an ethylene-fueled scramjet combustor at Mach 2.52 is experimentally investigated. The study is based on three injectors at injection distances of 42, 21, and 7 mm. As the injection distance increases, a higher equivalence ratio is required to complete the transition from the Scram to Dual mode. The increase in injection distance will cause the reaction zone to move downstream in the Scram mode. However, the opposite is true in the Dual and Ram modes. In addition, the increase in injection distance will intensify the reaction zone oscillation under all modes. Moreover, in the Scram mode, shortening the injection distance will increase the heat release and the oscillation of heat release intensity. In the Dual mode, although shortening the injection distance cannot enhance the heat release, it will decrease the oscillation of heat release intensity. In the Ram mode, increasing the injection distance will enhance the heat release and will hardly increase the oscillation of heat release intensity. Considering the combustion heat release and oscillation, the injection distance should be shortened in the Scram and Dual modes and increased in the Ram mode.
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