仰望星空的人也夢(mèng)想著(zhù)進(jìn)入太空。將夢(mèng)想變?yōu)楝F實(shí)取決于無(wú)數技術(shù)進(jìn)步。其中之一就是新型火箭發(fā)動(dòng)機和飛機發(fā)動(dòng)機，其設計和測試變得越來(lái)越容易和便宜，這要部分歸功于美國能源部(DOE)阿爾貢國家實(shí)驗室的科學(xué)家。
更好的火箭和噴氣發(fā)動(dòng)機將使我們的夢(mèng)想更接近現實(shí)。更重要的是，它們還將使航空運輸更清潔，更高效，同時(shí)加強我們的國家安全。
航空航天和國防公司多年來(lái)花費數十億美元來(lái)設計和測試新型火箭和燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機。幸運的是，科學(xué)家們在建立實(shí)驗和計算機模擬的良性循環(huán)時(shí)，可以大幅度削減這項工作。一支由Argonne研究人員組成的團隊正在將一種X射線(xiàn)實(shí)驗與新穎的計算機模擬相結合，以幫助航空航天和國防公司的工程師節省時(shí)間和金錢(qián)。
X射線(xiàn)可以打開(kāi)門(mén)
該過(guò)程始于A(yíng)rgonne的高級光子源(APS)，后者會(huì )產(chǎn)生超高亮度X射線(xiàn);它們比牙醫辦公室的亮度高一百萬(wàn)倍。使用 7 -BM 透視束線(xiàn)在 APS，工程師布蘭登Sforzo，艾倫Kastengren并通過(guò)使用該最終的發(fā)動(dòng)機的燃料噴射器的鋼克里斯鮑威爾對等體 3 d 顯微鏡，其從其他與眾不同阿貢的能力。
“使用任何其他診斷技術(shù)都無(wú)法通過(guò)這種鋼材可視化細節，” Argonne的航空工程師Prithwish Kundu說(shuō)，他通過(guò) 美國能源部 科學(xué)用戶(hù)設施辦公室APS開(kāi)發(fā)了預測計算機模型 。
斯福爾佐同意。“如果沒(méi)有我們這里的光的亮度，你看不到發(fā)生了什么事情，這些設備里面，”他說(shuō)。“沒(méi)有人在與基于加速器的光源(在相關(guān)條件研究流體動(dòng)力學(xué) APS的高亮度的X射線(xiàn)束)等我們是“。
早在 2019年，該團隊就研究了燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機內的流體動(dòng)力學(xué)，發(fā)現了令Sforzo及其同事感到驚訝的行為。“我們可以看到液體噴灑在意想不到的地方結束了。”
一篇新論文中描述的這些類(lèi)型的啟示可 幫助科學(xué)家了解最終影響發(fā)動(dòng)機性能，推力和排放物的基本物理原理。它們還給像昆都這樣的科學(xué)家提供了幫助，這些科學(xué)家將這些信息輸入到實(shí)驗室的超級計算機中，這些構建模塊(稱(chēng)為邊界條件)可以實(shí)現高保真仿真。他們打開(kāi)了許多詢(xún)問(wèn)的門(mén)。
設計的新時(shí)代開(kāi)始
邊界條件是充當護欄的詳細參數。在正確的邊界條件下，科學(xué)家可以建立模型來(lái)預測一系列發(fā)動(dòng)機性能，包括壓力，溫度，質(zhì)量，速度等，這些在實(shí)驗期間可能無(wú)法測量。
Kundu說(shuō)：“有了正確的預測模型，我們可以大大降低測試和開(kāi)發(fā)成本。”
減少時(shí)間和成本的追求勢頭強勁。雖然在高保真工程蓬勃發(fā)展 3 d 模型，這些模型往往在超級計算機上運行了幾個(gè)月-對大多數企業(yè)來(lái)說(shuō)是稀缺資源。
為了解決這一挑戰，Kundu與Opeoluwa Owoyele和Pinaki Pal一起，正在探索一種稱(chēng)為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的人工智能，它可以幫助計算機在大型，復雜的數據集中找到模式。他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法，可以大大減少優(yōu)化模型所需的時(shí)間。這些方程還有助于科學(xué)家了解內燃機的內部混亂運行。
“有這么多的參數，在發(fā)動(dòng)機-人的心靈無(wú)法分析一個(gè) 10維空間，”昆都表示。
實(shí)驗室多物理計算小組的負責人Kundu和Sibendu Som使用Argonne的Blues和Bebop高性能計算機，最近創(chuàng )建了一個(gè)高保真模型，用于測量?jì)煞N不同的噴氣燃料在燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機燃燒室中的行為。
他們的發(fā)現?該計算模型能夠預測趨勢“貧油熄火” -一個(gè)條件，其中燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機的火焰飛濺響應更少的燃料-如在所示 2018 研究。
在另 一項研究中，帕爾與空軍研究實(shí)驗室合作， 為旋轉爆震發(fā)動(dòng)機 (RDE)開(kāi)發(fā)了高保真度模擬。這些工具將幫助工程師加快RDE的設計，RDE的潛力可能使未來(lái)的超音速和高超音速飛行成為可能。
前進(jìn)速度
Kundu和Som的團隊現在正在與 NASA Langley一起模擬超音速燃燒，并將實(shí)驗室的一些模型添加到航天局的計算流體動(dòng)力學(xué)代碼(稱(chēng)為 VULCAN)中。
在 APS上方，Sforzo，Kastengren和Powell試圖觀(guān)察燃料離開(kāi)噴嘴后的行為。“我們希望向更加相關(guān)的發(fā)動(dòng)機狀況下移動(dòng)-更高的壓力，更高的溫度，更相關(guān)的液體，” Sforzo說(shuō)。
同時(shí)，昆都正在等待這些實(shí)驗結果。“如果我們能夠表征直徑更接近噴嘴用燃料液滴的速度，我們的模型的預測準確度會(huì )顯著(zhù)增加，”他說(shuō)。
美國能源部車(chē)輛技術(shù)辦公室能源效率和可再生能源辦公室資助與汽油和柴油直接噴射有關(guān)的燃油噴霧研究計劃。