Instabilities of supersonic combustion at plasma-based flameholding

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Two types of supersonic combustion instabilities identified in a M=2 reacting flow at direct injection of gaseous hydrocarbon fuel and quasi-direct-current (Q-DC) plasma assistance have been considered: a global instability triggered by a mechanism of flow–combustion–plasma coupling and a fast instability of a thermoacoustic nature. The experiments were performed at SBR-50 supersonic combustion facility at variable conditions: pressure P0=14 bar, temperature T0=300750 K, and fuel mass flow rate m˙=18,5 g/s. Diagnostics included pressure measurements, filtered fast camera imaging, schlieren visualization, and spectroscopic observations. The global instability develops with a characteristic time of about 10 ms and is related to the interaction of the combustion-based separation zone with the reflected shock wave (SW) and electric discharge. It is shown that this instability could be effectively controlled by electrical discharge power. The thermoacoustic instability is developed with a characteristic time less than 1 ms. The analysis of pressure data reveals a resonant acoustic wave presence in the combustion zone between the fuel injection ports and the test section diffuser.

About the authors

S. Elliott

Institute for Flow Physics and Control, University of Notre Dame

Author for correspondence.
Email: torus@torus-press.ru

PhD in aerospace engineering, research engineer

United States, Notre Dame, IN 46556

Sergey B. Leonov

Institute for Flow Physics and Control, University of Notre Dame

Email: Leonov.1@nd.edu

Doctor of Science in physics and mathematics, research professor

United States, Notre Dame, IN 46556

References

  1. Ben-Yakar, A., and R. K. Hanson. 2001. Cavity flameholders for ignition and flame stabilization in scramjets: An overview. J. Propul. Power 17:869–878.
  2. Rasmussen, C. C., J. F. Driscoll, K.-Y. Hsu, J. M. Donbar, M. R. Gruber, and C. D. Carter. 2005. Stability limits of cavity-stabilized flames in supersonic flow. P. Combust. Inst. 30:2825–2833.
  3. Wang, Z., H. Wang, and M. Sun. 2014. Review of cavity-stabilized combustion for scramjet applications. P. I. Mech. Eng. G — J. Aer. 228(14):2718–2735.
  4. Billingsley, M., W. O’Brien, and J. Schetz. 2006. Plasma torch atomizer-igniter for supersonic combustion of liquid hydrocarbon fuel. AIAA Paper No. 2006-7970.
  5. Jacobsen, L., C. Carter, R. A. Baurle, T. A. Jackson, S. Williams, D. Bivolaru, S. Kuo, J. Barnett, and C.-J. Tam. 2008. Plasma-assisted ignition in scramjets. J. Propul. Power 24(4):641–654.
  6. Takita, K., K. Shishido, and K. Kurumada. 2011. Ignition in a supersonic flow by a plasma jet of mixed feedstock including CH4. P. Combust. Inst. 33(2):2383–2389.
  7. Li, F., X.-L. Yua, Y.-G. Tong, Y. Shen, J. Chen, L.-H. Chen, and X.-Y. Chang. 2013. Plasma-assisted ignition for a kerosene fueled scramjet at Mach 1.8. Aerosp. Sci. Technol. 28(1):72–78.
  8. Leonov, S. 2018. Electrically driven supersonic combustion. Energies 11(7):1733.
  9. Leonov, S. B., S. Elliott, C. Carter, A. Houpt, P. Lax, and T. Ombrello. 2021. Modes of plasma-stabilized combustion in cavity-based M = 2 configuration. Exp. Therm. Fluid Sci. 124:110355.
  10. Starikovskaya, S. M. 2006. Plasma assisted ignition and combustion. J. Phys. D Appl. Phys. 39(16):R265.
  11. Starikovskiy, A., and N. Aleksandrov. 2013. Plasma-assisted ignition and combustion. Prog. Energ. Combust. 39(1):61–110.
  12. Ju, Y., and W. Sun. 2015. Plasma assisted combustion: Dynamics and chemistry. Prog. Energ. Combust. 48:21–83.
  13. Macheret, S. O., M. N. Shneider, and R. B. Miles. 2005. Energy efficiency of plasma-assisted combustion in ram/scramjet engines. Paper AIAA No. 2005-5371.
  14. Esakov, I. I., L. P. Grachev, K. V. Khodataev, V. A. Vinogradov, and D. M. V. Wie. 2006. Propane–air mixture combustion assisted by MW discharge in a speedy airflow. IEEE T. Plasma Sci. 34(6):2497–2506.
  15. O’Briant, S. A., S. B. Gupta, and S. S. Vasu. 2016. Review: Laser ignition for aerospace propulsion. Propulsion Power Research 5(1):1–21.
  16. Leonov, S., A. Houpt, S. Elliott, and B. Hedlund. 2018. Ethylene ignition and flameholding by electrical discharge in supersonic combustor. J. Propul. Power 34(2):499–509.
  17. Elliott, S., P. Lax, and S. B. Leonov. 2022. Acetone PLIF visualization of mixing processes in a plasma stabilized supersonic combustor. AIAA Paper No. 2022-2256. doi: 10.2514/6.2022-2256.
  18. Choia, J.-Y., F. Ma, and V. Yang. 2005. Combustion oscillations in a scramjet engine combustor with transverse fuel injection. P. Combust. Inst. 30:2851–2858.
  19. Lin, K.-C., K. Jackson, R. Behdadnia, T. A. Jackson, F. Ma, and V. Yang. 2010. Acoustic characterization of an ethylene-fueled scramjet combustor with a cavity flameholder. J. Propul. Power 26(6):1161–1170.
  20. Wang, H., Z. Wang, and M. Sun. 2013. Experimental study of oscillations in a scramjet combustor with cavity flameholders. Exp. Therm. Fluid Sci. 45:259–263.
  21. Houpt, A., B. Hedlund, S. Leonov, T. Ombrello, and C. Carter. 2017. Quasi-DC electrical discharge characterization in a supersonic flow. Exp. Fluids 58(4):25.
  22. Savelkin, K. V., D. A. Yarantsev, I. V. Adamovich, and S. B. Leonov. 2015. Ignition and flameholding in a supersonic combustor by an electrical discharge combined with a fuel injector. Combust. Flame 162(3):825–835.
  23. Leonov, S. B., B. E. Hedlund, and A. W. Houpt. 2018. Morphology of a Q-DC discharge within a fuel injection jet in a supersonic cross-flow. Paper AIAA No. 2018-1060.
  24. Leonov, S. B., Y. I. Isaenkov, D. A. Yarantsev, I. V. Kochetov, A. P. Napartovich, and M. N. Shneider. 2009. Unstable pulse discharge in mixing layer of gaseous reactants. AIAA Paper No. 2009-0820.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».