Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Numerical investigation of the effects of cavity flameholder geometric parameters on the combustion performance of ramjet and scramjet engines

Document Type : Original Article

Authors
1 Mechanical Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Mechanical Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad. Iran
10.22034/jfnc.2026.566615.1453
Abstract
In ramjet and scramjet engines, due to the very high velocity of the incoming flow into the combustion chamber, efficiency and effective fuel–air mixing face significant challenges. One efficient method to increase fuel residence time and create a suitable recirculation zone for stable combustion is the use of cavity flameholders. Despite the widespread application of this method, the effect of cavity geometry on combustion performance in both ramjet and scramjet engines, especially under heated conditions, still requires comprehensive investigation. The aim of this study is to numerically investigate the effect of cavity geometric parameters—including height, length, and ramp angle—on combustion efficiency in both ramjet and scramjet engines. For this purpose, simulations were performed using ANSYS Fluent with the SST k–ω turbulence model in a compressible, hydrogen-fueled combustion configuration. The results indicate that increasing the cavity height in both engines improves combustion efficiency. Reducing the cavity length can also enhance combustion efficiency in both engines. These findings can serve as a basis for optimizing flameholder geometry in future supersonic engines.

Highlights

High-speed air-breathing propulsion systems, particularly ramjet and scramjet engines, represent key technologies for supersonic and hypersonic flight. Unlike conventional turbojet engines, these systems operate without rotating compressors or turbines and rely entirely on the dynamic compression of incoming air. In ramjet engines, combustion occurs at subsonic speeds inside the combustor, whereas in scramjet engines (Supersonic Combustion Ramjet), combustion takes place under supersonic flow conditions. Although this structural simplicity allows operation at extremely high Mach numbers, it introduces significant challenges in fuel–air mixing, flame stabilization, and combustion efficiency.

At high flow velocities, especially in scramjet configurations, the residence time of fuel inside the combustion chamber becomes extremely short. As a result, achieving stable combustion and complete fuel consumption is difficult. Among the various flame stabilization techniques, cavity-based flameholders have been widely adopted due to their ability to create recirculation zones that trap hot combustion products, increase fuel residence time, and enhance turbulent mixing. Previous investigations, including the experimental studies of Gruber and the comprehensive review by Ben-Yakar, demonstrated the effectiveness of cavity flameholders in stabilizing supersonic flames. More recent hydrogen-fueled investigations published in the International Journal of Hydrogen Energy have emphasized the sensitivity of combustion performance to cavity geometry.

Despite extensive research, most studies have focused on either ramjet or scramjet engines individually, and systematic comparisons under identical modeling frameworks remain limited. Furthermore, the combined effects of cavity height, length, and aft-wall angle under hot hydrogen combustion conditions have not been comprehensively evaluated. Therefore, the present study aims to numerically investigate the influence of these geometric parameters on combustion efficiency in both ramjet and scramjet engines using a unified computational approach.

Methodology

The computational domain consists of an inlet section, a combustor equipped with a wall-mounted cavity flameholder, and a downstream outlet region. The baseline cavity geometry includes a height of 9.8 mm, a length of 19 mm, and an aft-wall angle of 30°. Parametric variations are introduced by considering cavity heights of 6 mm and 12 mm, cavity lengths of 13 mm and 25 mm, and aft-wall angles of 15° and 45°. Hydrogen is selected as the fuel due to its high reactivity and suitability for high-speed propulsion systems.

Two operating conditions are considered: a ramjet configuration with subsonic combustor flow and a scramjet configuration with a Mach 2.5 supersonic inlet condition. All simulations are performed using ANSYS Fluent under compressible reacting flow assumptions. The governing equations include continuity, compressible Navier–Stokes, energy, and species transport equations.

Turbulence is modeled using the SST k–ω model, which is well suited for predicting boundary layer separation, shear layer development, and shock–boundary layer interactions in high-speed flows. Combustion is simulated using the Finite-Rate/Eddy-Dissipation model to account for both chemical kinetics and turbulence–chemistry interaction effects. Appropriate pressure-based boundary conditions are applied at the inlets and outlet depending on the engine configuration, while all walls are treated as no-slip and adiabatic.

Grid independence is verified using three mesh densities, and dimensionless static pressure distributions are compared to ensure numerical accuracy. Second-order discretization schemes and a coupled pressure–velocity solver are employed to enhance stability and accuracy. Combustion efficiency is defined based on hydrogen mass consumption between inlet and outlet, providing a direct quantitative measure of fuel utilization.

Discussion and Results

The numerical results demonstrate that cavity geometry significantly affects flow structure, recirculation strength, temperature distribution, and combustion efficiency in both engines. Increasing cavity height enhances combustion efficiency in both ramjet and scramjet configurations. A larger cavity height produces a stronger recirculation zone, increases residence time, and promotes improved fuel–air mixing. The effect is more pronounced in the ramjet engine due to longer subsonic residence time, which allows more complete heat release and reaction progression. In the scramjet configuration, although combustion efficiency increases with cavity height, the improvement is less significant because supersonic flow rapidly convects thermal energy toward the outlet.

Reducing cavity length generally leads to a moderate improvement in combustion efficiency. Longer cavities may cause partial fuel accumulation and spillage, weakening effective mixing within the shear layer above the cavity. Shorter cavities concentrate the recirculation region and strengthen mixing interactions. However, sensitivity to cavity length is lower compared to cavity height.

The aft-wall angle influences vortex structure, shear layer behavior, and flame anchoring location. Smaller angles tend to shift the recirculation zone downstream and may reduce mixing effectiveness, while larger angles intensify shear layer entrainment and improve flame stabilization. Nevertheless, excessively steep angles may introduce aerodynamic penalties, indicating that optimal geometric design requires balanced parameter selection.

A comparative analysis shows that the ramjet configuration is more sensitive to geometric modifications than the scramjet configuration. Because combustion occurs under subsonic conditions in the ramjet, changes in residence time and recirculation strength directly influence reaction completeness. In contrast, the scramjet operates under supersonic flow where limited residence time reduces the overall impact of geometric variations, although similar trends are observed.

Conclusion

A comprehensive numerical investigation was conducted to evaluate the effects of cavity flameholder geometric parameters on hydrogen combustion performance in both ramjet and scramjet engines. The results indicate that increasing cavity height significantly improves combustion efficiency by strengthening recirculation and increasing fuel residence time. Shorter cavity lengths provide moderate improvements by reducing fuel spillage and concentrating mixing regions. The aft-wall angle strongly affects vortex formation and flame stabilization, and appropriate optimization enhances combustion performance.

Overall, the ramjet engine exhibits greater sensitivity to geometric variations due to longer residence time and subsonic combustion conditions, whereas the scramjet shows similar but less pronounced trends under supersonic flow. The findings provide practical design guidelines for optimizing cavity flameholder geometry in

Keywords

Subjects


امروزه موتورهای رمجت و اسکرَمجت بهعنوان یکی از مهمترین فناوریهای پیشرانش برای پرواز در سرعتهای بالا مطرح هستند و توسعه آنها نقش کلیدی در پیشبرد صنایع هوایی و سامانههای فراصوتی دارد. این موتورها به دلیل فقدان کمپرسور و توربین، از سادگی ساختاری بالایی برخوردار هستند و فرآیند فشردهسازی جریان را از طریق امواج ضربهای ایجاد میکنند. باوجود ساختار ساده، بزرگترین چالش آنها ایجاد احتراق پایدار در بازه زمانی بسیار محدود است. در سرعتهای فراصوتی، زمان ماند سوخت و هوا در محفظه احتراق بسیار کم است و این موضوع کارایی احتراق را شدیداً کاهش میدهد. بر همین اساس، پژوهشگران همواره به دنبال طراحی روشهایی برای ایجاد ناحیهای کمسرعتتر در میان جریان بودهاند تا امکان پایدارسازی شعله فراهم شود.

یکی از روشهای کارآمد در این زمینه، استفاده از شعلهنگهدارهای حفرهای است که از اوایل دهه ۲۰۰۰ میلادی مورد توجه قرار گرفتهاند. بنیگار و هانسون مروری جامع بر عملکرد این ساختارها ارائه دادند و نقش مهم آنها را در ایجاد ناحیه بازچرخشی پایدار بررسی کردند ]1[. در این ساختار، ایجاد یک حفره در کف محفظه احتراق سبب تشکیل یک لایه برشی قوی بین جریان اصلی و گازهای محبوس در حفره میشود. این لایه برشی موجب ایجاد گردابههایی میشود که گازهای داغ را به ناحیه تزریق سوخت بازمیگردانند و باعث پایدار ماندن شعله میشوند.

مطالعات متعددی جنبههای مختلف عملکرد حفره را بررسی کردهاند. کیم و همکاران نشان دادند که حفرهها میتوانند ساختار موج ضربهای و ناحیه اختلاط را در احتراق فراصوتی به طور قابل ملاحظهای بهبود دهند ]2[. گروبر و همکاران نیز بررسیهایی عددی و آزمایشگاهی مطابق شکل 1 درباره رفتار جریان در اطراف حفره انجام دادند و نتایج آنها نشان داد زاویه انتهایی حفره اهمیت بالایی دارد و کاهش این زاویه باعث افزایش پایداری می شود ]3[.

در ادامه، هوآنگ و همکاران به بررسی اثر پارامترهای مختلف هندسی مانند طول، ارتفاع و زاویه دیواره انتهایی حفره پرداختند و نشان دادند که هر یک از این پارامترها میتوانند رفتار حفره را بهطور چشمگیری تغییر دهند ]4[. همچنین کای و همکاران اثر هندسه حفره را بر اختلاط سوخت و هوا بررسی کردند و تأیید کردند که ترکیب مناسب ارتفاع و طول حفره میتواند به افزایش بازده اختلاط که مطابق شکل 2 آمده است، کمک کند ]5[. در این شکل بازده اختلاط سوخت نشان میدهد سوخت و اکسیدکننده تا چه حد یکنواخت و کامل قبل یا حین احتراق با یکدیگر مخلوط شدهاند، بهطوریکه احتراق مؤثرتر انجام شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مزایای حفرهها موجب شد که پژوهشهای جدیدتری نیز به بررسی اثر شکل، ابعاد و الگوی پاشش سوخت بر عملکرد حفره بپردازند. مرادی و همکاران مطابق شکل 3 نشان دادند که تغییر شکل حفره به ذوزنقه میتواند ناحیه بازچرخشی بزرگتری نسبت به دایره و مستطیل ایجاد کند که در پایداری جریان تأثیر زیادی دارد ]6[.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

چوبی و همکاران در مطالعه سال ۲۰۲۳ خود، یک روش جدید تزریق سوخت مبتنی بر استفاده از کف حفره ارائه کردند که نتایج بسیار مؤثری در بهبود احتراق داشت ]7[. در کنار این مطالعات، پژوهشهای متعددی نیز روی احتراق هیدروژن و رفتار آن در جریانهای فراصوتی انجام شده است. هوانگ و همکاران با استفاده از رهیافت آشفتگی LES، ساختار شعله و نحوه گسترش آن را در محفظه فراصوتی بهطور دقیق تحلیل کردند ]8[. چوبی و همکاران در یک مطالعه مروری جامع، مزایا و چالشهای استفاده از هیدروژن در اسکرَمجتها را بررسی کردند و نتایج مهمی در زمینه کاربردهای آینده آن ارائه دادند ]7[. همچنین گرودرودبری یک کتاب مرجع در زمینه اختلاط سوخت و روشهای تزریق در اسکرَمجتها منتشر کرد که نقش اساسی در تحلیلهای عددی اخیر دارد ]9[. این مطالعات اهمیت انتخاب سوخت مناسب، هندسه صحیح و روش تزریق بهینه را بهخوبی مشخص میکند.

در مطالعات دیگر، اثر روشهای مختلف تزریق سوخت بر ساختار جریان مورد توجه قرار گرفته است. لی و پاور پاشش دوگانه را برای بهبود اختلاط بررسی کردند ]10[. وانگ و همکاران نشان دادند که زاویه پاشش سوخت میتواند ساختار موج ضربهای و نرخ احتراق را تغییر دهد ]11[. همچنین مطالعات مربوط به پایداری شعله در حضور شعله نگهدار از نوع V-gutter نیز بهصورت گسترده انجام شده و اثر این شعلهنگهدار بر محل شعله گزارش شده است ]12[. لیو و همکارارن ویژگیهای جریان و احتراق در یک اسکرَمجت با حفره و تزریق چند نقطهای با استفاده از مدل LES را بررسی کرده اند . نتایج نشان میدهد که ترکیب LES با مکانیزم واکنشپذیری دقیق هیدروژن، رفتار شعله و ساختارهای چند مقیاسی جریان را بهتر توصیف میکند]13[.

چن و همکاران به بررسی عملکرد حفره همراه با جتهای بازچرخشی ثانویه در تقویت اختلاط سوخت و هوا در اتاق احتراق اسکرَمجت پرداختند. نتایج نشان میدهد که جتهای بازچرخشی میتوانند جدایش لایه مرزی و تشکیل زوجهای گردابهای را افزایش دهند و طول مخلوطسازی را بهطور قابلتوجهی کاهش دهند]14[. ژانگ و همکارانش نشان دادند که که استفاده از دو حفره مقابل هم منجر به ایجاد میدان جریان پیچیده میشود که به افزایش نفوذ سوخت و توسعه شعله کمک میکند]15[.

باوجود این پیشرفتها، بررسی همزمان اثر سه پارامتر مهم هندسی یعنی ارتفاع، طول و زاویه دیواره انتهایی بر محفظه احتراق رمجت و اسکرَمجت کمتر مورد توجه قرار گرفته است. اغلب پژوهشها تنها بر یک یا دو پارامتر متمرکز بودهاند و یا تنها یک موتور را بررسی کردهاند. همچنین بسیاری از مطالعات فقط در حالت سرد یا فقط در حالت گرم انجام شدهاند. این محدودیتها باعث شده امکان تحلیل یکپارچه برای بهینهسازی هندسه حفره وجود نداشته باشد.

در پژوهش حاضر این خلأ برطرف شده است. در این تحقیق، رفتار هندسه حفره در هر دو موتور رمجت و اسکرَمجت و با درنظرگرفتن سه پارامتر اساسی هندسی بهطور جامع بررسی شده است. تمام شبیهسازیها با بهرهگیری از مدل آشفتگی SST k–ω و مدل احتراق Finite-Rate/Eddy-Dissipation انجام شده است.  مدل SST k–ω به دلیل توانایی مناسب در پیشبینی جدایش جریان، رفتار لایه برشی و دقت بالا در نواحی نزدیک دیواره، یکی از پرکاربردترین مدلها برای جریانهای فراصوتی همراه با شعلهنگهدار حفرهای است. نوآوری اصلی این کار در  بررسی جامع و همزمان سه پارامتر کلیدی و مقایسه آنها در دو موتور مختلف است. چنین رویکردی تاکنون در مطالعات پیشین کمتر دیده شده و نتایج آن میتواند راهنمای ارزشمندی برای طراحی نسلهای جدید موتورهای سرعت بالا باشد.

روش حل و صحتسنجی

در این بخش، مراحل مدلسازی هندسی، شبکهبندی، مدلهای فیزیکی، شرایط مرزی، روش حل عددی و در نهایت اعتبارسنجی نتایج با استفاده از دادههای تجربی و عددی معتبر ارائه میشود. هدف از این بخش ایجاد یک توصیف جامع از روند حل است تا پژوهش قابل بازتولید باشد و دقت نتایج تضمین شود. ابتدا هندسه محفظه احتراق با درنظرگرفتن ساختار عمومی موتورهای رمجت و اسکرَمجت و طبق مدل هندسی گروبر و همکاران]3[ مطابق شکل 4 طراحی شد.

 

A. Ben-Yakar and R. K. Hanson, "Cavity flame-holders for ignition and flame stabilization in scramjets: an overview," J. Propuls. Power, vol. 17, pp. 869–877, 2001.
[2] K. M. Kim, S. W. Baek, and C. Y. Han, "Numerical study on supersonic combustion with cavity-based fuel injection," Int. J. Heat Mass Transf., vol. 47, pp. 271–286, 2004.
[3] M. R. Gruber, R. A. Baurle, T. Mathur, and K.-Y. Hsu, "Fundamental studies of cavity-based flameholder concepts for supersonic combustors," J. Propuls. Power, vol. 17, pp. 146–153, 2001.
[4] W. Huang, M. Pourkashanian, L. Ma, D. B. Ingham, S. Luo, and Z. Wang, "Effect of geometric parameters on the drag of the cavity flameholder based on the variance analysis method," Aerosp. Sci. Technol., vol. 21, pp. 24–30, 2012.
[5] Z. Cai, M. Sun, Z. Wang, and X.-S. Bai, "Effect of cavity geometry on fuel transport and mixing processes in a scramjet combustor," Aerosp. Sci. Technol., vol. 80, pp. 309–314, 2018.
[6] R. Moradi, A. Mahyari, M. B. Gerdroodbary, A. Abdollahi, and Y. Amini, "Shape effect of cavity flameholder on mixing zone of hydrogen jet at supersonic flow," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 43, pp. 16364–16372, 2018.
[7] G. Choubey, M. Solanki, T. Bhatt, G. Kshitij, D. Yuvarajan, and W. Huang, "Numerical investigation on a typical scramjet combustor using cavity floor H2 fuel injection strategy," Acta Astronaut., vol. 202, pp. 373–385, 2023.
[8] Y. Wang, "Large-eddy simulation of flow separation in Savonius turbines," Renew. Energy, 2024. (in press, as per original citation)
[9] M. B. Gerdroodbary, Scramjets: fuel mixing and injection systems. Butterworth-Heinemann, 2020. (in Persian)
[10] S.-H. Lee, "Characteristics of dual transverse injection in scramjet combustor, part 1: Mixing," J. Propuls. Power, vol. 22, pp. 1012–1019, 2006.
[11] H. Wang, Z. Wang, M. Sun, and N. Qin, "Simulations of combustion with normal and angled hydrogen injection in a cavity-based supersonic combustor," Proc. Inst. Mech. Eng. Part G J. Aerosp. Eng., vol. 228, pp. 530–541, 2014.
[12] F. Gong, Y. Huang, and X. Huang, "Size effect on the flame base locations after V-gutters for premixed flames," Int. J. Heat Mass Transf., vol. 82, pp. 406–418, 2015.
[13] W. Xi, P. Liu, Q. Shao, W. Guo, and J. Liu, "Parametric study of flow and combustion characteristic in a cavitied scramjet with multi-position injection," Fire, vol. 7, p. 176, 2024.
[14] J. Dai, L. Chen, and F. Kong, "Research on the mixing characteristics of a cavity based supersonic combustion chamber coupled with secondary recirculation jets," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 92, pp. 516–526, 2024. doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.10.303.
[15] J. C. Small, L. Zhang, B. G. Crawford, and V. Viti, "Flow and Flame Stabilization in Scramjet Engine Combustor with Two Opposing Cavity Flameholders," Aerospace, vol. 12, p. 723, 2025.