Iedereen die naar de sterren kijkt, droomt er ook van om naar de ruimte te gaan. Het omzetten van deze droom in realiteit hangt af van talloze technologische vooruitgang. Een daarvan is nieuwe raket- en vliegtuigmotoren, die gemakkelijker en goedkoper te ontwerpen en te testen zijn, mede dankzij wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Betere raketten en straalmotoren zullen de droom uit ons hoofd dichter bij de realiteit brengen. Belangrijker, ze zullen ook het luchtvervoer schoner en efficiënter maken en tegelijkertijd onze nationale veiligheid versterken.

Lucht- en ruimtevaart- en defensiebedrijven besteden gedurende vele jaren miljarden aan het ontwerpen en testen van nieuwe raketten en gasturbinemotoren. Gelukkig, wetenschappers kunnen die inspanning drastisch verminderen wanneer ze een deugdzame cyclus van experimenten en computersimulaties opbouwen. Een team van wetenschappers uit Argonne combineert unieke röntgenexperimenten met nieuwe computersimulaties om ingenieurs van ruimtevaart- en defensiebedrijven te helpen tijd en geld te besparen.

Röntgenstralen kunnen deuren openen

Het proces begint bij Argonne's Advanced Photon Source (APS), die ultraheldere röntgenstralen produceert; ze zijn meer dan een miljoen keer helderder dan die in een tandartspraktijk. Met behulp van de 7-BM röntgenstraallijn op de APS, ingenieurs Brandon Sforzo, Alan Kastengren en Chris Powell kijken door het staal van de brandstofinjector van een motor met behulp van deze ultieme 3D-microscoop, die de mogelijkheden van Argonne onderscheidt van anderen.

"Het visualiseren door staal met dit detail is niet mogelijk met een andere diagnostische techniek, " zei Prithwish Kundu, een ruimtevaartingenieur bij Argonne die voorspellende computermodellen ontwikkelt die zijn afgeleid van experimenten bij het APS, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Sforzo is het daarmee eens. "Als je niet de helderheid van het licht hebt dat we hier hebben, je kunt niet zien wat er in deze apparaten gebeurt, "zei hij. "Niemand anders onderzoekt vloeistofdynamica onder de relevante omstandigheden met een op een versneller gebaseerde lichtbron (de APS's hoge helderheid röntgenstralen) zoals wij."

Terug in 2019, het team onderzocht de vloeistofdynamica in een gasturbinemotor en ontdekte gedrag dat Sforzo en zijn collega's verraste. "We zagen de vloeistofspray op onverwachte plaatsen terechtkomen."

Dit soort onthullingen, beschreven in een nieuw artikel, wetenschappers helpen de fundamentele fysica te begrijpen die, uiteindelijk, motorprestaties beïnvloeden, stoot, en emissies. Ze geven ook wetenschappers als Kundu, die deze informatie invoeren in de supercomputers van het lab, bouwstenen - ook wel randvoorwaarden genoemd - die high-fidelity simulaties mogelijk maken. Ze openen vele deuren van onderzoek.

Een nieuw designtijdperk gaat van start

Randvoorwaarden zijn gedetailleerde parameters die als vangrail fungeren; met de juiste randvoorwaarden, wetenschappers kunnen modellen bouwen die een groot aantal motorgedragingen voorspellen, waaronder druk, temperaturen, massa, snelheid enzovoort - dat kan tijdens experimenten onmeetbaar zijn.

"Met de juiste voorspellende modellen, we de test- en ontwikkelingskosten met een grote marge kunnen verlagen, ' zei Kundu.

De zoektocht om tijd en kosten te besparen is in een stroomversnelling geraakt. Terwijl engineering gedijt op high-fidelity 3D-modellen, die modellen draaien vaak maandenlang op supercomputers - een schaars goed voor de meeste bedrijven.

Om deze uitdaging op te lossen, Kundu, samen met Opeoluwa Owoyele en Pinaki Pal, onderzoeken nu een soort kunstmatige intelligentie die bekend staat als diepe neurale netwerken, waarmee computers patronen kunnen vinden in grote, complexe datasets. Ze hebben al neurale netwerkalgoritmen ontwikkeld die de tijd die nodig is om modellen te optimaliseren aanzienlijk verkorten; de vergelijkingen helpen de wetenschappers ook de chaotische innerlijke werking van verbrandingsmotoren te begrijpen.

"Er zijn zoveel parameters in een motor - de menselijke geest kan een 10-dimensionale ruimte niet analyseren, ' zei Kundu.

Met behulp van Argonne's Blues en Bebop high-performance computers, Kundu en Sibendu Som, manager van de Multi-Physics Computation-groep van het laboratorium, heeft onlangs een high-fidelity-model gemaakt dat meet hoe twee verschillende vliegtuigbrandstoffen zich gedragen in het verbrandingsgedeelte van een gasturbinemotor.

Hun ontdekking? De rekenmodellen waren in staat om trends te voorspellen in "lean blowout" - een toestand waarin de vlam van een gasturbinemotor sputtert als reactie op minder brandstof - zoals blijkt uit een onderzoek uit 2018.

In een andere studie, Vriend, in samenwerking met het Air Force Research Laboratory, ontwikkelde high-fidelity simulaties voor Rotational Detonation Engines (RDE's). Deze tools helpen ingenieurs het ontwerp van RDE's te versnellen, die het potentieel hebben om toekomstige supersonische en hypersonische vluchten mogelijk te maken.

Warpsnelheid vooruit

Het team van Kundu en Som werkt nu samen met NASA Langley om supersonische verbranding te simuleren en om enkele modellen van het laboratorium toe te voegen aan de computationele vloeistofdynamicacode van het ruimteagentschap. bekend als VULCAN.

Bij de APS, Sforzo, Kastengren en Powell proberen te observeren hoe brandstof zich gedraagt ​​direct nadat het de straalpijp verlaat. "We hopen te evolueren naar meer relevante motoromstandigheden - hogere druk, hogere temperaturen, meer relevante vloeistoffen, ' zei Sforzo.

In de tussentijd, Kundu wacht op die experimentele resultaten. "Als we de diameter en de snelheden van brandstofdruppels nog dichter bij het mondstuk kunnen karakteriseren, de voorspellende nauwkeurigheid van onze modellen zal aanzienlijk toenemen, " hij zei.

DOE's bureau voor energie-efficiëntie en hernieuwbare energie, Vehicle Technologies Office financiert het onderzoeksprogramma voor brandstofspray dat relevant is voor directe injectie van benzine en diesel.