Neutronen, die das Bedürfnis nach Geschwindigkeit verspüren, untersuchen den Flüssigkeitsstrom für den Hyperschallflug.

Eine der großen Herausforderungen in der Luft- und Raumfahrttechnik ist die Entwicklung von hyperschallgetriebenen Fahrzeugen, die in der Lage sind, bei oder über Mach 5 etwa 4.000 Meilen pro Stunde oder schneller zu fahren. Die Verbrennung von flüssigem Kraftstoff bei diesen Geschwindigkeiten und atmosphärischen Bedingungen ist jedoch nicht gut verstanden.

Auf der Suche nach Lösungen für das Strömungsverhalten von Überschallflüssigkeiten nutzen Forscher der University of Tennessee-Knoxville und der US Air Force die Neutronenradiographie am Department of Energy’s (DOE’s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Das Team sagt, dass ein besseres Verständnis der Sprühdynamik zu verbesserten Einspritzventilen für die Luftfahrt- und Automobilindustrie sowie für andere sprühbezogene Anwendungen in der Landwirtschaft, Pharmazie und Fertigung führen wird.

„In Hyperschallsystemen, wenn man beispielsweise auf Mach 5 fliegt, fliegt man im Grunde genommen etwa 1.000 Meter pro Sekunde, und der Treibstoff muss in einen Überschallstrom gesprüht werden, der dann weniger als eine Millisekunde zu verbrennen hat“, sagte UT Associate Professor Zhili Zhang. „Also brauchen wir eine Düse, die effizient genug ist, um das zu tun; aber leider gibt es keine Standarddüse, die existiert.“

Mit der IMAGING-Beamline CG-1D am ORNL-Hochflussisotopenreaktor entwarfen die Forscher ein Experiment mit verschiedenen Düsenkonfigurationen, um das innere und äußere Strömungsverhalten vor und unmittelbar nach der Verteilung des Sprays in der Brennkammer zu untersuchen.

Neutronen sind für diese Art der Forschung ideal, da sie fast jedes Material zerstörungsfrei durchschauen können und empfindlich auf Lichtelemente wie Wasserstoff und verschiedene Kohlenwasserstoffe reagieren, die in Flugzeugtreibstoff verwendet werden. Genauer gesagt, erlaubte die Neutronenradiographie dem Team, durch die Metalldüsen zu schauen und die Flüssigkeitsdichten und das Strömungsverhalten zu beobachten, um festzustellen, wie flüssiger Kraftstoff mit verbesserten Designs effektiver fließen könnte.

„Wir sind daran interessiert, eine Instrumentenfunktion zu entwickeln, die es Menschen ermöglicht, Daten über diese Verhaltensweisen zu erhalten. Von dort aus werden wir in der Lage sein, Dinge über Zerstäubung und Temperatur und andere Effekte zu erfahren, die sich auf den Verbrennungswirkungsgrad beziehen“, sagte Cary Smith, wissenschaftliche Assistentin der UT. „Je mehr wir diese Dinge wissenschaftlich verstehen, desto besser können wir effiziente Düsen für eine bessere Verbrennung entwickeln.“

HFIR ist eine DOE Office of Science User Facility. UT-Battelle leitet ORNL für das DOE Office of Science. Das Office of Science ist der größte Unterstützer der Grundlagenforschung in den physikalischen Wissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen.

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