仰望星空的人也梦想着进入太空。将梦想变为现实取决于无数技术进步。其中之一就是新型火箭发动机和飞机发动机，其设计和测试变得越来越容易和便宜，这要部分归功于美国能源部(DOE)阿尔贡国家实验室的科学家。
更好的火箭和喷气发动机将使我们的梦想更接近现实。更重要的是，它们还将使航空运输更清洁，更高效，同时加强我们的国家安全。
航空航天和国防公司多年来花费数十亿美元来设计和测试新型火箭和燃气涡轮发动机。幸运的是，科学家们在建立实验和计算机模拟的良性循环时，可以大幅度削减这项工作。一支由Argonne研究人员组成的团队正在将一种X射线实验与新颖的计算机模拟相结合，以帮助航空航天和国防公司的工程师节省时间和金钱。
X射线可以打开门
该过程始于Argonne的高级光子源(APS)，后者会产生超高亮度X射线;它们比牙医办公室的亮度高一百万倍。使用 7 -BM 透视束线在 APS，工程师布兰登Sforzo，艾伦Kastengren并通过使用该最终的发动机的燃料喷射器的钢克里斯鲍威尔对等体 3 d 显微镜，其从其他与众不同阿贡的能力。
“使用任何其他诊断技术都无法通过这种钢材可视化细节，” Argonne的航空工程师Prithwish Kundu说，他通过 美国能源部 科学用户设施办公室APS开发了预测计算机模型 。
斯福尔佐同意。“如果没有我们这里的光的亮度，你看不到发生了什么事情，这些设备里面，”他说。“没有人在与基于加速器的光源(在相关条件研究流体动力学 APS的高亮度的X射线束)等我们是“。
早在 2019年，该团队就研究了燃气涡轮发动机内的流体动力学，发现了令Sforzo及其同事感到惊讶的行为。“我们可以看到液体喷洒在意想不到的地方结束了。”
一篇新论文中描述的这些类型的启示可 帮助科学家了解最终影响发动机性能，推力和排放物的基本物理原理。它们还给像昆都这样的科学家提供了帮助，这些科学家将这些信息输入到实验室的超级计算机中，这些构建模块(称为边界条件)可以实现高保真仿真。他们打开了许多询问的门。
设计的新时代开始
边界条件是充当护栏的详细参数。在正确的边界条件下，科学家可以建立模型来预测一系列发动机性能，包括压力，温度，质量，速度等，这些在实验期间可能无法测量。
Kundu说：“有了正确的预测模型，我们可以大大降低测试和开发成本。”
减少时间和成本的追求势头强劲。虽然在高保真工程蓬勃发展 3 d 模型，这些模型往往在超级计算机上运行了几个月-对大多数企业来说是稀缺资源。
为了解决这一挑战，Kundu与Opeoluwa Owoyele和Pinaki Pal一起，正在探索一种称为深度神经网络的人工智能，它可以帮助计算机在大型，复杂的数据集中找到模式。他们已经开发了神经网络算法，可以大大减少优化模型所需的时间。这些方程还有助于科学家了解内燃机的内部混乱运行。
“有这么多的参数，在发动机-人的心灵无法分析一个 10维空间，”昆都表示。
实验室多物理计算小组的负责人Kundu和Sibendu Som使用Argonne的Blues和Bebop高性能计算机，最近创建了一个高保真模型，用于测量两种不同的喷气燃料在燃气涡轮发动机燃烧室中的行为。
他们的发现?该计算模型能够预测趋势“贫油熄火” -一个条件，其中燃气涡轮发动机的火焰飞溅响应更少的燃料-如在所示 2018 研究。
在另 一项研究中，帕尔与空军研究实验室合作， 为旋转爆震发动机 (RDE)开发了高保真度模拟。这些工具将帮助工程师加快RDE的设计，RDE的潜力可能使未来的超音速和高超音速飞行成为可能。
前进速度
Kundu和Som的团队现在正在与 NASA Langley一起模拟超音速燃烧，并将实验室的一些模型添加到航天局的计算流体动力学代码(称为 VULCAN)中。
在 APS上方，Sforzo，Kastengren和Powell试图观察燃料离开喷嘴后的行为。“我们希望向更加相关的发动机状况下移动-更高的压力，更高的温度，更相关的液体，” Sforzo说。
同时，昆都正在等待这些实验结果。“如果我们能够表征直径更接近喷嘴用燃料液滴的速度，我们的模型的预测准确度会显著增加，”他说。
美国能源部车辆技术办公室能源效率和可再生能源办公室资助与汽油和柴油直接喷射有关的燃油喷雾研究计划。