布蘭登·斯福佐（Brandon Sforzo）和一位前同事準備了一個實驗，以利用先進光子源（Advanced Photon Source）研究燃油噴射器設計。圖片：阿貢國家實驗室
仰望星空的人也夢想著進入太空。將夢想變為現實取決於無數技術進步。其中之一是新型火箭發動機和飛機發動機，其設計和測試變得越來越容易和便宜，這要部分歸功於美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的科學家。
更好的火箭和噴氣發動機將使我們的夢想更接近現實。更重要的是，它們還將使航空運輸更清潔，更高效。
航空航天和國防公司多年來花費巨資來設計和測試新型火箭和燃氣渦輪發動機。幸運的是，科學家們在建立實驗和計算機模擬的良性循環時，可以大幅度削減這項工作。一支由阿貢科學家組成的團隊正在將一種X射線實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間和金錢。
X射線
該過程始於阿貢的先進光子源（APS），其可以產生超亮X射線。它們比牙醫檢查用的亮度高一百萬倍。利用APS的7-BM X射線束，工程師布蘭登·斯福佐（Brandon Sforzo），艾倫·卡斯滕格倫（Alan Kastengren）和克裡斯·鮑威爾（Chris Powell）使用這款終極3D顯微鏡觀察了發動機噴油器的鋼鐵，這使阿貢實驗室的能力獨樹一幟。
「任何其他診斷技術，都無法穿過鋼材對這種細節進行可視化。」阿貢的航空工程師普裡思威士·昆圖（Prithwish Kundu）說，他開發了根據APS的實驗得出的計算機預測模型。
斯福佐同意。他說：「如果您沒有我們這裡的光線強度，就看不到這些設備內部正在發生什麼。沒有人像我們一樣，使用基於加速器的光源（APS的高亮度X射線束）來研究流體動力學。」
早在2019年，該團隊就研究了燃氣渦輪發動機內的流體動力學，發現了令斯福佐及其同事感到驚訝的行為。「我們可以看到液體噴霧最終落在意想不到的地方。」
一篇新論文中描述的這些類型的啟示可幫助科學家了解最終影響發動機性能、推力和排放物的基本物理原理。它們還給像昆圖這樣的科學家提供了幫助，這些科學家將這些信息輸入到實驗室的超級計算機中，這些構建塊（稱為邊界條件）可以實現高保真模擬。
設計的新時代開始
邊界條件是充當護欄的詳細參數。在正確的邊界條件下，科學家可以建立模型來預測一系列發動機行為，包括壓力、溫度、質量、速度等，這些在實驗期間可能無法測量。
昆圖說：「有了正確的預測模型，我們可以大大降低測試和開發成本。」
西本杜·索姆（Sibendu Som）和他的研究團隊討論了在平衡計算機模擬和實際經驗數據之間的挑戰。該團隊站在阿貢的Mira超級計算機之前。圖片：阿貢國家實驗室
減少時間和成本的需求勢頭強勁。儘管工程技術在高保真3D模型上蓬勃發展，但這些模型通常在超級計算機上運行數月，而超級計算機對於大多數企業而言都是稀缺資源。
為了解決這一挑戰，昆圖與歐波魯瓦·奧沃耶勒（Opeoluwa Owoyele）和帕拉基·帕爾（Pinaki Pal）一起，正在探索一種稱為深度神經網絡的人工智慧，它可以幫助計算機在大型，複雜的數據集中找到模式。他們已經開發了神經網絡算法，可以大大減少優化模型所需的時間。這些方程還有助於科學家了解內燃機的內部混亂運行。
昆圖說：「引擎中的參數太多了，人類的大腦無法分析10維空間。」
負責人昆圖和索姆使用阿貢的Blues和Bebop高性能計算機，最近創建了一個高保真模型，用於測量兩種不同的噴氣燃料在燃氣渦輪發動機燃燒室中的行為。
他們發現，計算模型能夠預測「lean blowout」的趨勢，在這種情況下，燃氣輪機發動機的火焰會隨著燃料的減少而發生濺射，如2018年的一項研究所示。
lean blowout燃氣渦輪發動機燃料燃燒中的一種情況，在此期間，燃料供應會減少，以維持或降低發動機轉速。在此過程中，火焰被帶出燃燒室並熄滅，燃燒可能會變慢。
在另一項研究中，帕爾與空軍研究實驗室合作，為旋轉爆震發動機（RDE，Rotational Detonation Engines）開發了高保真模擬。這些工具將幫助工程師加快RDE的設計，RDE的潛力可能使未來的超音速和高超音速飛行成為可能。
下一代高超音速發動機的加力燃燒室
速度
昆圖和索姆的團隊現在正在與NASA蘭利研究中心一起模擬超音速燃燒，並將實驗室的一些模型添加到航天局的計算流體動力學代碼（VULCAN）中。
在APS上，斯福佐，卡斯滕格倫和鮑威爾試圖觀察燃料離開噴嘴後的行為。斯福佐說：「我們希望朝著更接近發動機工況前進-更高的壓力、更高的溫度、更合適的液體。」
同時，昆圖正在等待這些實驗結果。他說：「如果我們能夠更接近噴嘴來描述燃料液滴的直徑和速度，那麼我們模型的預測精度將大大提高。」
美國能源部汽車能效和可再生能源辦公室，汽車技術辦公室資助了與汽油和柴油直接噴射有關的燃油噴霧研究計劃。