新的Argonne Lab計(jì)算模型可加速下一代高超音速飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)

Argonne的新型數(shù)值模擬工具可幫助研究人員更好地了解有朝一日可能推動(dòng)下一代飛機(jī)和火箭的強(qiáng)大發(fā)動(dòng)機(jī)。能源部(DOE)阿貢實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家與空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)和Convergent Science Inc.合作，創(chuàng)造了一種新的數(shù)值模擬工具，可以更好地理解強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)有一天推動(dòng)下一代飛機(jī)和火箭。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(RDEs)在過去十年中受到了推進(jìn)界的極大關(guān)注。

“這項(xiàng)工作旨在為RDE開發(fā)一個(gè)強(qiáng)大的，預(yù)測(cè)性和計(jì)算效率的燃燒模型。” - Sibendu Som，計(jì)算科學(xué)家兼Argonne多物理計(jì)算小組經(jīng)理

與依賴亞音速恒壓燃燒的傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)不同，RDE利用高強(qiáng)度，自持續(xù)爆炸 - 超音速反應(yīng)波加上沖擊 - 快速消耗燃料 - 空氣混合物，通常為環(huán)形，圓柱形腔室。

利用RDE，有一個(gè)有效的壓力增益：爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)烈和快速的能量釋放可用于從相對(duì)較小的燃燒室產(chǎn)生極高的推力。

此外，這些發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，不包含活動(dòng)部件，比傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)更有效，在高頻下提供穩(wěn)定推力，并且可與現(xiàn)有飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)硬件集成。

這些獨(dú)特的功能使RDE成為各種機(jī)構(gòu)廣泛研究的主題，包括空軍，海軍，陸軍研究實(shí)驗(yàn)室，航空航天局以及和國(guó)外的航空航天公司。

盡管它們提供了潛在的好處，但RDE的實(shí)際實(shí)施一直難以實(shí)現(xiàn)。

“ RDE的操作和性能取決于很多因素，” AFRL的研究工程師Brent Rankin說。“燃燒的行為必須研究并通過了技術(shù)成為可行的實(shí)際大的設(shè)計(jì)空間進(jìn)行了優(yōu)化。”

阿貢安全計(jì)劃主任基思布拉德利說，該實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行這項(xiàng)研究的理想場(chǎng)所。

“阿貢有著獨(dú)特的科學(xué)規(guī)模。與更傳統(tǒng)的愛迪生方法相比，我們的科學(xué)專業(yè)知識(shí)，獨(dú)一無二的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，先進(jìn)的建模和模擬技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更好，更快，更便宜的開發(fā)，“他說。

先前的數(shù)值模擬為研究人員提供了對(duì)RDE中發(fā)生的燃燒現(xiàn)象的基本見解，但它們?cè)谟?jì)算上非常昂貴，妨礙了對(duì)各種操作條件的嚴(yán)格研究。

為了解決這個(gè)問題，Argonne多物理計(jì)算小組的計(jì)算科學(xué)家和經(jīng)理Sibendu Som和Argonne能源系統(tǒng)部門的機(jī)械工程師Pinaki Pal與AFRL的 Rankin 和Convergent Science Inc.的研究人員合作開發(fā)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型，用于預(yù)測(cè)RDE的燃燒行為。

“這項(xiàng)工作旨在為RDE開發(fā)一種強(qiáng)大，預(yù)測(cè)性和計(jì)算效率高的燃燒模型，”Som說。

負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)Argonne工作的Pal表示，計(jì)算建模和仿真可以在設(shè)計(jì)這些引擎時(shí)發(fā)揮重要作用。

“很少有研究考慮過對(duì)全尺寸RDE燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)的建模，它可以為您提供最準(zhǔn)確的信息 - 主要是因?yàn)檫@些模擬可能非常耗時(shí)，”他說。“新的模式使我們能夠捕捉準(zhǔn)確真實(shí)的配置和合理的成本燃燒行為。”

該模型根據(jù)Rankin在AFRL的實(shí)驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。該團(tuán)隊(duì)證明CFD模型可以在不同的操作條件下捕獲RDE燃燒動(dòng)態(tài)。

“這樣的模型可用于在大型設(shè)計(jì)空間上快速生成模擬數(shù)據(jù)，然后可以與先進(jìn)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)相結(jié)合，以快速優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)，”Pal說。“我們已經(jīng)證明這種方法用于內(nèi)燃機(jī)，它可以擴(kuò)展到快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)體也是如此。”