Experimental Studies of Choking-induced Inlet Unstart and its Control via Fast-acting Boundary-layer Suction

Abstract

A comprehensive study on inlet unstart and its control via boundary-layer suction in a dual-mode scramjet is conducted. The current work encompasses 1) modeling effort of boundary-layer suction in supersonic internal flows, 2) extensive experimental studies and analyses of inlet unstart under cold- and high-enthalpy conditions.

Firstly, boundary-layer suction in a dual-mode scramjet isolator was modeled as compressible laminar flow with non-zero wall-normal velocities in a constant-area channel to investigate the performance under different operating conditions. It was shown that the efficiency of boundary-layer suction is maximum at the suction rate of around 1 %. Also, it was turned out that the execution of suction control requires a few tens of milliseconds to be effective. Nevertheless, suction showed that choking mass flow rate can be increased more than 20 % at high confinement parameter and high suction rate conditions.

Then, boundary-layer suction control was implemented experimentally in unstarting and unstarted flows, and its effectiveness was experimentally investigated. A model dual-mode scramjet of a rectangular constant cross-sectional area was tested in an arc-heated supersonic blown-down wind tunnel. The model has an inlet, an isolator with a supersonic gaseous fuel injector, a combustor with a backward-facing step cavity flameholder, and a nozzle to reproduce typical flow conditions in a dual-mode scramjet. Perforated plates were installed in the model to drive boundary-layer suction flow which was controlled by fast-acting solenoid valves. By switching on and off the arc-heater, high- and low-enthalpy freestream conditions could be provided approximately 0.5 s, which is typically long enough to simulate the whole process of inlet unstart. Accordingly, two sets of experiments are conducted for different objectives.

Under low-enthalpy conditions, inlet unstart was triggered by an excessive injection of a non-reacting jet under Mach 6 freestream. The primary objective is to improve understandings of the detailed processes and the dynamics of unstarting and unstarted flows. High-speed schlieren imaging covering the whole region of the internal flow was adopted to capture the temporal and spatial evolution of inlet unstart. Two jet injection rates were selected to vary the mass-loading of flow choking which leads to different completion times for inlet unstart. When boundary-layer suction was triggered at lower mass-loading fast enough, inlet unstart was completely avoided. Otherwise, inlet unstart could only be delayed by a few tens of milliseconds. Moreover, boundary-layer suction showed faster re-starting capability when combined with a jet cut-off.

On the other hand, shock-induced ignition from an ethylene fuel injection and consequent thermal choking incurred inlet unstart under high-enthalpy Mach 4.5 freestream. Under this combusting environment, the main aim was to seek inlet unstart precursors with pressure measurements and CH* chemiluminescence imaging to examine the effectiveness of boundary-layer suction. When the overall equivalence ratio was sufficiently low, the model was operated in a ramjet mode. When the equivalence ratio exceeded a certain value, an abrupt pressure drop, weakened high-frequency pressure fluctuations, and reduced CH* intensity variations are simultaneously observed, which were herein regarded as inlet unstart indicators. These unstart indicators were shown significantly earlier with increasing equivalence ratios. When boundary-layer suction was activated near the unstart threshold, inlet unstart could be delayed by a few tens of milliseconds, even more than a hundred milliseconds, however, never suppressed solely by the suction. Inlet unstart was delayed longer and control still remained effective with trigger delays at higher suction rates.

이중모드 스크램제트 흡입구 불시동 현상 및 경계층 유출을 통한 불시동 제어에 대한 통합적인 연구가 진행되었다. 먼저 초음속 유동 내의 경계층 유출 기법의 성능을 알아보기 위해 이중모드 스크램제트 격리부 유동을 2차원 압축성 층류 유동으로 모델링을 진행하였다. 이 때 벽면에서의 수직방향 속도를 가정하여 경계층 유출을 모사하였으며 이를 통하여 얻은 속도 및 온도 프로파일을 통해 경계층 유출 기법의 성능을 다양한 운용조건에서 예측하였다. 결과로써 경계층 유출량이 약 1 % 근처에서 유출에 의한 효율이 최대가 됨을 알아내었으며, 이를 통하여 유로 내의 질식유량을 약 20 % 이상 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 위와 같은 환경에서 경계층 유출을 시도할 경우 경계층 유출이 최대성능을 보이기까지 약 수십 밀리초가 걸릴 수 있음을 보였다. 다음으로는 경계층 유출 기법을 실제 이중모드 스크램제트 격리부에 적용한 불시동 유동제어 실험을 진행하였다. 이를 위해 사각형 등단면적 이중모드 스크램제트 모델을 제작하였으며, 이 스크램제트 모델은 일반적인 이중모드 스크램제트 내부유동을 모사하기 위하여 흡입구, 격리부, 연소기, 공동형 화염안정기 및 노즐을 탑재하였다. 위와 같은 스크램제트 모델을 블로우-다운(blow-down)형 초음속 풍동을 이용한 실험을 진행하였으며, 경계층 유출을 위해 여러 개의 구멍이 뚫린 타공판을 설치하였으며, 위와 같은 타공판에 초고속 솔레노이드 밸브를 장착하여 경계층 유출 유동을 제어하였다. 또한 초음속 풍동에 탑재된 아크 히터를 켜고 끔으로써 저엔탈피 및 고엔탈피 자유류 흐름 모두를 모사하여 두 가지 다른 실험을 진행하였다. 먼저 저엔탈피 자유류 조건에서는 흡입구 불시동을 모사하기 위해 마하 6의 자유류 흐름 내 스크램제트 내부에 비반응성 제트를 과다주입하였다. 이를 통하여 불시동중인 유동과 불시동된 유동의 현상론적 이해증진을 목표로 하였다. 이를 위하여 초고속 쉴리렌(Schlieren) 기법을 통하여 스크램제트 모델 전체 영역의 유동가시화를 진행하여 내부유동을 분석하였다. 또한 흡입구 불시동 현상의 세기에 따른 분석을 위해 두 가지 제트주입량을 선정하였으며 이를 통하여 흡입구 불시동 완료시간이 다른 두 가지의 불시동 현상을 관찰하였다. 제트주입량이 낮은 약한 불시동 조건에서는 경계층 유출을 통한 유동제어가 빠르게 진행되면 흡입구 불시동이 완전히 회피될 수 있음을 보였다. 그렇지 않을 경우 흡입구 불시동이 약 수십 밀리초 지연됨을 확인하였다. 또한 경계층 유출을 사용하면 불시동된 흡입구의 재시동이 더 빠르게 일어날 수 있음을 관찰하였다. 고엔탈피 조건에서는 마하 4.5, 전온도 약 2,400 K의 자유류 조건에 대해 실제 연료인 상온 상태의 에틸렌(C2H4)을 주입하여 열적 질식을 통한 흡입구 불시동 현상을 야기하였다. 또한 벽면압력측정 및 CH* 화학종의 화학발광현상(chemiluminescence)을 가시화하여 불시동 현상이 일어나는 현상의 전조(pre-cursor) 및 이에 따른 내부유동현상의 변화를 정량적으로 계측하는 것에 중점을 두었다. 같은 모델을 사용하여 진행된 고엔탈피 조건 실험의 경우, 에틸렌 주입의 당량비가 충분히 낮을 경우 스크램제트 모델이 램모드로 동작함을 확인하였다. 여기에서 당량비를 더 높여 일정 이상보다 에틸렌을 더 많이 주입할 경우 흡입구 불시동 현상이 나타남을 관찰하였다. 위와 같은 흡입구 불시동 현상은 급격한 압력하강, 고주파 압력섭동 감쇠 및 CH* 화학종의 화학발광 세기 저하로 나타났으며 이를 불시동 현상의 지표로서 사용할 수 있었다. 위와 같은 불시동 지표 현상들은 당량비를 높일수록 더욱 이르게 발생하였다. 고엔탈피 조건에서 발생하는 불시동중인 유동에 경계층 유출을 적용했을 경우 흡입구 불시동이 약 수십 밀리초 지연되었으나 저엔탈피 조건에서처럼 흡입구 불시동이 완전히 회피되지는 않았다. 흡입구 불시동의 지연시간은 경계층 유출이 더 빠르고 더 많은 유량으로 작동될 경우 더 길어짐을 확인하였다.