This paper describes ongoing research efforts in the scramjet community on cavity e ame holders, a concept for e ame holding and stabilization in supersonic combustors. During the last few years, cavities have gained the attention of the scramjet community as a promising e ame-holding device, owing to results obtained in e ight tests and to feasibility demonstrations in laboratory-scale supersonic combustors. However, comprehensive studies are needed to determine the optimal cone guration that will yield the most effective e ame-holding capability with minimum losses. The e owe eld characteristics of cavities and research efforts related to cavities employed in lowand high-speed e ows are summarized. Open questions impacting the effectiveness of the cavities as e ame holders in supersonic combustors are discussed.

Autoignition characteristics of n-heptane/air, gasoline/air, and ternary surrogate/air mixtures were studied behind reflected shock waves in a high-pressure, low-temperature regime similar to that found in homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine cycles. The range of experiments covered combustion of fuel in air for lean, stoichiometric, and rich mixtures (Φ=0.5, 1.0, 2.0), two pressure ranges (15–25 and 45–60 atm), temperatures from 850 to 1280 K, and exhaust gas recirculation (EGR) loadings of (0, 20, and 30%). The ignition delay time measurements in n-heptane are in good agreement with the shock tube study of Fieweger et al. (Proc. Combust. Inst. 25 (1994) 1579–1585) and support the observation of a pronounced, low-temperature, NTC region. Strong agreement was seen between ignition delay time measurements for RD387 gasoline and surrogate (63% iso-octane/20% toluene/17% n-heptane by liquid volume) over the full range of experimental conditions studied. Ignition delay time measurements under fuel-lean (Φ=0.5) mixture conditions were longer than with Φ=1.0 mixtures at both the low- (15–25 atm) and high- (45–60 atm) pressure conditions. Ignition delay times in fuel-rich (Φ=2.0) mixtures for both gasoline and surrogate were indistinguishable in the low-pressure (15–25 atm) range, but were clearly shorter at high-pressures (45–60 atm). EGR loading affected the ignition delay times similarly for both gasoline and surrogate, with clear trends indicating an increase in ignition delay time with increased EGR loading. This data set should provide benchmark targets for detailed mechanism validation and refinement under HCCI conditions.

Infrared laser-absorption spectroscopy (IR-LAS) sensors play an important role in diagnosing and characterizing a wide range of combustion systems. Of all the laser-diagnostic techniques, LAS is arguably the most versatile and quantitative, as it has been used extensively to provide quantitative, species-specific measurements of gas temperature, pressure, composition and velocity in both laboratory- and industrial-scale systems. Historically, most IR-LAS work has been conducted using tunable diode lasers; however, today’s researchers have access to a wide range of light sources that provide unique sensing capabilities and convenient access to nearly the entire IR spectrum (≈ 0.8 to 16 µm). In particular, the advent of room-temperature wavelength-tunable mid-infrared semiconductor lasers (e.g., interband- and quantum-cascade lasers) and hyperspectral light sources (e.g., MEMS VCSELs, Fourier-domain mode-locked lasers, dispersed supercontinuum, and frequency combs) has provided a number of unique capabilities that combustion researchers have exploited. The primary goals of this review paper are: (1) to document the recent development, application, and current capabilities of IR-LAS sensors for laboratory- and industrial-scale combustors and propulsion systems, (2) to elucidate the design and use of IR-LAS sensors for combustion gases through a discussion of the modern sensor-design process and state-of-the-art techniques, and (3) to highlight some of the remaining measurement opportunities, challenges, and needs. A thorough review and description of the fundamental spectroscopy governing the accuracy of such sensors, and recent findings and databases that enable improved modeling of molecular absorption spectra will also be provided.

We present a practical implementation of calibration-free wavelength-modulation spectroscopy with second harmonic detection (WMS-2f) for measurements of gas temperature and concentration in harsh environments. The method is applicable to measurements using lasers with synchronous wavelength and intensity modulation (such as injection current-tuned diode lasers). The key factors that enable measurements without the on-site calibration normally associated with WMS are (1) normalization of the WMS-2f signal by the first harmonic (1f) signal to account for laser intensity, and (2) the inclusion of laser-specific tuning characteristics in the spectral-absorption model that is used to compare with measured 1f-normalized, WMS-2f signals to infer gas properties. The uncertainties associated with the calibration-free WMS method are discussed, with particular emphasis on the influence of pressure and optical depth on the WMS signals. Many of these uncertainties are also applicable to calibrated WMS measurements. An example experimental setup that combines six tunable diode laser sources between 1.3 and 2.0 μm into one probe beam for measurements of temperature, H2O, and CO2 is shown. A hybrid combination of wavelength and frequency demultiplexing is used to distinguish among the laser signals, and the optimal set of laser-modulation waveforms is presented. The system is demonstrated in the harsh environment of a ground-test scramjet combustor. A comparison of direct absorption and 1f-normalized, WMS-2f shows a factor of 4 increase in signal-to-noise ratio with the WMS technique for measurements of CO2 in the supersonic flow. Multidimensional computational fluid-dynamics (CFD) calculations are compared with measurements of temperature and H2O using a simple method that accounts for the influence of line-of-sight (LOS) nonuniformity on the absorption measurements. The comparisons show the ability of the LOS calibration-free technique to gain useful information about multidimensional CFD models.

The averaging effect of velocity-changing collisions reduces the Doppler broadening of isolated spectral lines and leads to one type of collisional narrowing. We present four collisionally narrowed profiles in standardized form using dimensionless parameters and estimate the quantitative effect of narrowing on the spectral line shape in terms of the magnitudes of these parameters. We show that a collisionally narrowed profile fitted by a Voigt function exhibits a characteristic signature on a plot of the residual errors in the fit. This provides a simple test for detectable narrowing effects. One of the simpler and better known models which includes collisional narrowing is the Galatry profile. We present sample plots of the residual errors resulting when theoretical profiles computed from other more elaborate models are fitted by a Galatry function.

Real distillate fuels usually contain thousands of hydrocarbon components. Over a wide range of combustion conditions, large hydrocarbon molecules undergo thermal decomposition to form a small set of low molecular weight fragments. In the case of conventional petroleum-derived fuels, the composition variation of the decomposition products is washed out due to the principle of large component number in real, multicomponent fuels. From a joint consideration of elemental conservation, thermodynamics and chemical kinetics, it is shown that the composition of the thermal decomposition products is a weak function of the thermodynamic condition, the fuel-oxidizer ratio and the fuel composition within the range of temperatures of relevance to flames and high temperature ignition. Based on these findings, we explore a hybrid chemistry (HyChem) approach to modeling the high-temperature oxidation of real, distillate fuels. In this approach, the kinetics of thermal and oxidative pyrolysis of the fuel is modeled using lumped kinetic parameters derived from experiments, while the oxidation of the pyrolysis fragments is described by a detailed reaction model. Sample model results are provided to support the HyChem approach.

We report an experimental investigation that reveals significant differences in the near-flowfield properties of hydrogen and ethylene jets injected into a supersonic crossflow at a similar jet-to-freestream momentum flux ratio. Previously, the momentum flux ratio was found to be the main controlling parameter of the jet’s penetration. Current experiments, however, demonstrate that the transverse penetration of the ethylene jet was altered, penetrating deeper into the freestream than the hydrogen jet even for similar jet-to-freestream momentum flux ratios. Increased penetration depths of ethylene jets were attributed to the significant differences in the development of large-scale coherent structures present in the jet shear layer. In the hydrogen case, the periodically formed eddies persist long distances downstream, while for ethylene injection, these eddies lose their coherence as the jet bends downstream. The large velocity difference between the ethylene jet and the freestream induces enhanced mixing at the jet shear layer as a result of the velocity induced stretching-tilting-tearing mechanism. These new observations became possible by the realization of high velocity and high temperature freestream conditions which could not be achieved in conventional facilities as have been widely used in previous studies. The freestream flow replicates a realistic supersonic combustor environment associated with a hypersonic airbreathing engine flying at Mach 10. The temporal evolution, the penetration, and the convection characteristics of both jets were observed using a fast-framing-rate (up to 100 MHz) camera acquiring eight consecutive schlieren images, while OH planar laser-induced fluorescence was performed to verify the molecular mixing.

Laser diagnostic techniques play a large and growing role in combustion research and development. Here we highlight three areas where quantitative sensing based on laser absorption has had strong influence: chemical kinetics, propulsion, and practical energy systems. In the area of chemical kinetics, measurements in shock tubes of high-temperature reaction rate coefficients using species-specific laser absorption techniques have provided new and accurate answers to questions about combustion chemical processes. In the area of propulsion, wide-bandwidth measurements of flow temperatures, species concentrations, and velocity have provided engine designers with the necessary information to improve operation and performance. In the area of practical energy systems, real-time measurements of combustor operating conditions and emissions have enabled needed incremental improvements in large power plants and improved safety of operation. Yet, there is still more to be done, and opportunities for new applications will grow as laser sensors evolve. This review seeks to provide an overview of the current power and future potential of these modern diagnostic tools.