新的Argonne Lab計算模型可加速下一代高超音速飛行的發(fā)動機開發(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下一代飛機和火箭的強大發(fā)動機。能源部(DOE)阿貢實驗室的科學家與空軍研究實驗室(AFRL)和Convergent Science Inc.合作，創(chuàng)造了一種新的數(shù)值模擬工具，可以更好地理解強大的發(fā)動機有一天推動下一代飛機和火箭。旋轉爆震發(fā)動機(RDEs)在過去十年中受到了推進界的極大關注。

“這項工作旨在為RDE開發(fā)一個強大的，預測性和計算效率的燃燒模型。” - Sibendu Som，計算科學家兼Argonne多物理計算小組經(jīng)理

與依賴亞音速恒壓燃燒的傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機不同，RDE利用高強度，自持續(xù)爆炸 - 超音速反應波加上沖擊 - 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，有一個有效的壓力增益：爆炸產(chǎn)生的強烈和快速的能量釋放可用于從相對較小的燃燒室產(chǎn)生極高的推力。

此外，這些發(fā)動機結構緊湊，不包含活動部件，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)有飛機和火箭發(fā)動機硬件集成。

這些獨特的功能使RDE成為各種機構廣泛研究的主題，包括空軍，海軍，陸軍研究實驗室，航空航天局以及和國外的航空航天公司。

盡管它們提供了潛在的好處，但RDE的實際實施一直難以實現(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成為可行的實際大的設計空間進行了優(yōu)化。”

阿貢安全計劃主任基思布拉德利說，該實驗室是進行這項研究的理想場所。

“阿貢有著獨特的科學規(guī)模。與更傳統(tǒng)的愛迪生方法相比，我們的科學專業(yè)知識，獨一無二的實驗設施，先進的建模和模擬技術可以實現(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RDE中發(fā)生的燃燒現(xiàn)象的基本見解，但它們在計算上非常昂貴，妨礙了對各種操作條件的嚴格研究。

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

“這項工作旨在為RDE開發(fā)一種強大，預測性和計算效率高的燃燒模型，”Som說。

負責領導Argonne工作的Pal表示，計算建模和仿真可以在設計這些引擎時發(fā)揮重要作用。

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

該模型根據(jù)Rankin在AFRL的實驗提供的數(shù)據(jù)進行了驗證。該團隊證明CFD模型可以在不同的操作條件下捕獲RDE燃燒動態(tài)。

“這樣的模型可用于在大型設計空間上快速生成模擬數(shù)據(jù)，然后可以與先進的基于機器學習的技術相結合，以快速優(yōu)化燃燒器設計，”Pal說。“我們已經(jīng)證明這種方法用于內(nèi)燃機，它可以擴展到快速發(fā)展經(jīng)濟體也是如此。”