To facilitate the integration of a rotating detonation combustor (RDC) in a turbomachine, adding an ejector downstream of the combustor may be a viable option. The present work examines the performance of an ejector configuration under unsteady inflow conditions representative of an RDC exhaust, using a Large-Eddy Simulation. The RDC exhaust gas is generated at the nozzle exit of the ejector by an adequate choice of inlet axial fluctuation amplitude and frequency. The results along the jet centerline showed that the ejector flow remains in the low supersonic regime before passing through a secondary shock located at the constant-area mixing chamber exit. Mixing between the two flows begins immediately at the confluence and terminates slightly upstream of the secondary shock. The consideration of a theoretical thermodynamic cycle with the calculated ejector revealed that the ejector presence increases specific fuel consumption with respect to a reference cycle without an ejector installed. Entropy generation analysis showed that losses associated with thermal conduction have the most significant impact, followed by viscous dissipation losses. Both originate primarily in the shear layer between the RDC exhaust and the secondary flow. The flow characteristics at the ejector outlet and turbine inlet underline the potential of the ejector to couple the RDC with an axial turbine. Total pressure fluctuations are dampened by 65%, whereas the Mach number and the total temperature distortion are reduced to acceptable levels.

The Composite Cycle Engine (CCE) enhances the conventional Joule/Brayton cycle by replacing the high-pressure compressor with a high-quality piston-based gas generator that enables extremely high compression, combustion, and expansion of the working fluid before entering the classic Joule burner. This piston-based topping cycle unlocks much more efficient fuel utilization. This paper studies a CCE concept featuring a system of free double piston (FDP) units for a potential long-range (LR) application in 2045, benchmarked against an advanced turbofan engine representative of the same time frame. In-house-developed simulation tools for the piston system and the overall power plant, as well as aircraft non-linear trade factor analysis, are used for different levels of conceptual assessment. First, the cooling demand inside the FDP system is determined. An engine cycle parametric study is then performed for the design point top-of-climb (ToC). Off-design performance is further studied, demonstrating a 9.3% improvement in thrust-specific fuel consumption (TSFC) in cruise relative to the baseline engine. After incorporating the engine weight and nacelle geometry effects, the engine reaches a total mission fuel burn reduction of around 14.7% compared to the baseline engine. The concept evaluation shows the fuel burn potential of the CCE in the future LR aviation sector and lays the foundation for further climate impact analysis.

The composite cycle engine (CCE) offers a promising pathway for significantly reducing fuel burn in future aircraft. By integrating a piston system into the core of a gas turbine, the CCE can utilise higher peak cycle temperatures and pressures and thus, achieve a step-change in thermal efficiency. These conditions also promote increased levels of normal upper N normal upper O Subscript x N O x $\mathrm{NO}_x$ formation. This paper presents a methodology for the preliminary estimation of normal upper N normal upper O Subscript x N O x $\mathrm{NO}_x$ emissions within both the piston engine and the subsequent Joule combustor. Fast-responding parametric models capable of capturing key normal upper N normal upper O Subscript x N O x $\mathrm{NO}_x$ sensitivities, particularly the impact of combustion vitiation through water injection and exhaust gas recirculation (EGR), are established. Piston normal upper N normal upper O Subscript x N O x $\mathrm{NO}_x$ is modelled using a two-zone approach, which demonstrates good correlation with reference engine data from literature. For the Joule combustor, a stochastic flow description is employed to predict normal upper N normal upper O Subscript x N O x $\mathrm{NO}_x$ formation, with validation against an in-service combustor confirming the model’s predictive capability. Initial studies indicate high baseline piston normal upper N normal upper O Subscript x N O x $\mathrm{NO}_x$ emissions, though significant mitigation is achievable through water injection or EGR. This work establishes a framework for future research into the emissions and necessary mitigation strategies for the CCE and other advanced combustion technologies.

Analyse numérique de l'interaction entre une chambre de combustion rotative à détonation et une turbine axiale: Une chambre de combustion à détonation rotative (RDC), dans laquelle une ou plusieurs ondes de détonation tournent autour d’une chambre de combustion annulaire, peut constituer une technologie de combustion alternative pour les turbines à gaz, avec des perspectives de réduction de la consommation de carburant et de réduction des émissions. Parmi de nombreux défis, l’interaction potentiellement négative des gaz d’échappement instationnaires et à haute enthalpie de la chambre de combustion avec la turbine axiale située en aval est un problème en grande partie non résolu. Pour faciliter ce couplage, l’installation d’un éjecteur entre le RDC et la turbine axiale est une option. Dans le travail actuel, trois configurations d’éjecteurs sont étudiées à l’aide d’une simulation aux grandes échelles (LES), de simulations Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) et d’une modélisation 1D, et le potentiel d’intégration avec un RDC est évalué. L’analyse a révélé que la physique interne et les exigences de conception sont considérablement différents entre un éjecteur conventionnel et un éjecteur intégré avec un RDC. L’étude a montré que l’intégration d’un éjecteur avec un RDC rend les gaz d’échappement plus admissibles à l’entrée de la turbine en réduisant les fluctuations, la vitesse moyenne et la température moyenne. Néanmoins, la présence de l’éjecteur dans le cycle thermodynamique entraîne des pénalités de performances, par rapport à un cycle de référence sans présence d’éjecteur. Le rapport d’entraînement a été déterminé comme un paramètre contrôlant à la fois les caractéristiques d’amortissement et les performances globales du cycle : de petites valeurs permettent une efficacité de cycle élevée mais un faible amortissement (et vice versa). Une analyse détaillée de la génération d’entropie locale dans l’éjecteur a montré que dans des conditions représentatives du RDC, les pertes thermiques présentent la contribution la plus élevée, suivies par les pertes par dissipation visqueuse. La majorité des pertes se sont concentrées dans la couche de cisaillement entre les gaz d’échappement RDC et le flux secondaire entraîné. Sur la base d’une étude de conception utilisant RANS, certaines lignes directrices de conception pourraient être établis pour un éjecteur annulaire couplé à un RDC. Les travaux ont montré qu’un passage d’écoulement secondaire minimal et une chambre de mélange à section constante relativement longue sont bénéfiques. En outre, il a été affirmé que les modélisations 1D et RANS sont utiles dans la conception préliminaire, mais qu’une approche instationnaire telle que LES est nécessaire par la suite pour capturer la physique essentielle de l’écoulement.