仰望星空的人也夢想著進(jìn)入太空。將夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)取決于無數(shù)技術(shù)進(jìn)步。其中之一就是新型火箭發(fā)動機(jī)和飛機(jī)發(fā)動機(jī)，其設(shè)計(jì)和測試變得越來越容易和便宜，這要部分歸功于美國能源部(DOE)阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家。

更好的火箭和噴氣發(fā)動機(jī)將使我們的夢想更接近現(xiàn)實(shí)。更重要的是，它們還將使航空運(yùn)輸更清潔，更高效，同時(shí)加強(qiáng)我們的國家安全。

航空航天和國防公司多年來花費(fèi)數(shù)十億美元來設(shè)計(jì)和測試新型火箭和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。幸運(yùn)的是，科學(xué)家們在建立實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬的良性循環(huán)時(shí)，可以大幅度削減這項(xiàng)工作。一支由Argonne研究人員組成的團(tuán)隊(duì)正在將一種X射線實(shí)驗(yàn)與新穎的計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合，以幫助航空航天和國防公司的工程師節(jié)省時(shí)間和金錢。

X射線可以打開門

該過程始于Argonne的高級光子源(APS)，后者會產(chǎn)生超高亮度X射線;它們比牙醫(yī)辦公室的亮度高一百萬倍。使用 7 -BM 透視束線在 APS，工程師布蘭登Sforzo，艾倫Kastengren并通過使用該最終的發(fā)動機(jī)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)都無法通過這種鋼材可視化細(xì)節(jié)，” Argonne的航空工程師Prithwish Kundu說，他通過 美國能源部 科學(xué)用戶設(shè)施辦公室APS開發(fā)了預(yù)測計(jì)算機(jī)模型 。

斯福爾佐同意。“如果沒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(shè)備里面，”他說。“沒有人在與基于加速器的光源(在相關(guān)條件研究流體動力學(xué) APS的高亮度的X射線束)等我們是“。

早在 2019年，該團(tuán)隊(duì)就研究了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)內(nèi)的流體動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)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(jié)束了。”

一篇新論文中描述的這些類型的啟示可 幫助科學(xué)家了解最終影響發(fā)動機(jī)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(yàn)室的超級計(jì)算機(jī)中，這些構(gòu)建模塊(稱為邊界條件)可以實(shí)現(xiàn)高保真仿真。他們打開了許多詢問的門。

設(shè)計(jì)的新時(shí)代開始

邊界條件是充當(dāng)護(hù)欄的詳細(xì)參數(shù)。在正確的邊界條件下，科學(xué)家可以建立模型來預(yù)測一系列發(fā)動機(jī)性能，包括壓力，溫度，質(zhì)量，速度等，這些在實(shí)驗(yàn)期間可能無法測量。

Kundu說：“有了正確的預(yù)測模型，我們可以大大降低測試和開發(fā)成本。”

減少時(shí)間和成本的追求勢頭強(qiáng)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(jì)算機(jī)上運(yùn)行了幾個(gè)月-對大多數(shù)企業(yè)來說是稀缺資源。

為了解決這一挑戰(zhàn)，Kundu與Opeoluwa Owoyele和Pinaki Pal一起，正在探索一種稱為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能，它可以幫助計(jì)算機(jī)在大型，復(fù)雜的數(shù)據(jù)集中找到模式。他們已經(jīng)開發(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(nèi)燃機(jī)的內(nèi)部混亂運(yùn)行。

“有這么多的參數(shù)，在發(fā)動機(jī)-人的心靈無法分析一個(gè) 10維空間，”昆都表示。

實(shí)驗(yàn)室多物理計(jì)算小組的負(fù)責(zé)人Kundu和Sibendu Som使用Argonne的Blues和Bebop高性能計(jì)算機(jī)，最近創(chuàng)建了一個(gè)高保真模型，用于測量兩種不同的噴氣燃料在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒室中的行為。

他們的發(fā)現(xiàn)?該計(jì)算模型能夠預(yù)測趨勢“貧油熄火” -一個(gè)條件，其中燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的火焰飛濺響應(yīng)更少的燃料-如在所示 2018 研究。

在另 一項(xiàng)研究中，帕爾與空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作， 為旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī) (RDE)開發(fā)了高保真度模擬。這些工具將幫助工程師加快RDE的設(shè)計(jì)，RDE的潛力可能使未來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(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在與 NASA Langley一起模擬超音速燃燒，并將實(shí)驗(yàn)室的一些模型添加到航天局的計(jì)算流體動力學(xué)代碼(稱為 VULCAN)中。

在 APS上方，Sforzo，Kastengren和Powell試圖觀察燃料離開噴嘴后的行為。“我們希望向更加相關(guān)的發(fā)動機(jī)狀況下移動-更高的壓力，更高的溫度，更相關(guān)的液體，” Sforzo說。

同時(shí)，昆都正在等待這些實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yù)測準(zhǔn)確度會顯著增加，”他說。

美國能源部車輛技術(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(jì)劃。