Den som ser till stjärnorna drömmer också om att gå till rymden. Att göra denna dröm till verklighet beror på otaliga tekniska framsteg. En av dessa är nya raket- och flygmotorer, som blir enklare och billigare att designa och testa, delvis tack till forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory.

Bättre raketer och jetmotorer kommer att flytta drömmen från våra huvuden närmare verkligheten. Mer viktigt, de kommer också att göra lufttransporten renare och effektivare samtidigt som vi stärker vår nationella säkerhet.

Flyg- och försvarsföretag lägger miljarder över många år på att designa och testa nya raketer och gasturbinmotorer. Lyckligtvis, forskare kan dra ner på insatsen dramatiskt när de bygger en dygdig cykel av experiment och datasimuleringar. Ett team av Argonne-forskare kombinerar enstaka röntgenförsök med nya datasimuleringar för att hjälpa ingenjörer inom flyg- och försvarsföretag att spara tid och pengar.

Röntgen kan öppna dörrar

Processen börjar vid Argonnes Advanced Photon Source (APS), som producerar ultraljusa röntgenstrålar; de är över en miljon gånger ljusare än hos tandläkaren. Med hjälp av 7-BM röntgenstrålen vid APS, ingenjörer Brandon Sforzo, Alan Kastengren och Chris Powell tittar genom stålet på en motorns bränsleinsprutare med hjälp av detta ultimata 3D-mikroskop, vilket skiljer Argonnes förmågor från andra.

"Att visualisera genom stål med denna detalj är inte möjligt med någon annan diagnostisk teknik, sa Prithwish Kundu, en rymdingenjör på Argonne som utvecklar förutsägbara datormodeller härledda från experiment vid APS, en DOE Office of Science User Facility.

Sforzo håller med. "Om du inte har ljusstyrkan i det ljus vi har här, du kan inte se vad som händer inuti dessa enheter, "sa han." Ingen annan undersöker vätskedynamik vid relevanta förhållanden med en acceleratorbaserad ljuskälla (APS:s röntgenstrålar med hög ljusstyrka) som vi är. "

Tillbaka 2019, laget undersökte vätskedynamiken i en gasturbinmotor och fann beteende som förvånade Sforzo och hans kollegor. "Vi kunde se vätskesprayen hamna på oväntade platser."

Dessa typer av uppenbarelser, beskrivs i ett nytt papper, hjälpa forskare att förstå den grundläggande fysiken som, i sista hand, påverka motorns prestanda, sticka, och utsläpp. De ger också forskare som Kundu, som matar denna information till laboratoriets superdatorer, byggstenar-så kallade gränsvillkor-som möjliggör simuleringar i hög kvalitet. De öppnar många förfrågningsdörrar.

En ny era av design tar fart

Gränsvillkor är detaljerade parametrar som fungerar som skyddsräcken; med rätt gränsvillkor, forskare kan bygga modeller som förutsäger en mängd motorbeteenden - med tryck, temperaturer, massa, hastighet och så vidare - det kan vara omätbart under experiment.

"Med rätt förutsägbara modeller, vi kan minska test- och utvecklingskostnaderna med stor marginal, sa Kundu.

Strävan efter att minska tid och kostnad har tagit fart. Medan tekniken trivs på high-fidelity 3D-modeller, dessa modeller körs ofta i flera månader på superdatorer - en knapp resurs för de flesta företag.

För att lösa denna utmaning, Kundu, tillsammans med Opeoluwa Owoyele och Pinaki Pal, utforskar nu en typ av artificiell intelligens som kallas djupa neurala nätverk, som hjälper datorer att hitta mönster inom stora, komplexa datamängder. De har redan utvecklat algoritmer för neurala nätverk som avsevärt minskar den tid det tar att optimera modeller; ekvationerna hjälper också forskarna att förstå den kaotiska inre funktionen hos förbränningsmotorer.

"Det finns så många parametrar i en motor-det mänskliga sinnet kan inte analysera ett 10-dimensionellt utrymme, "Sa Kundu.

Använda Argonnes Blues och Bebop högpresterande datorer, Kundu och Sibendu Som, chef för laboratoriets multifysikberäkningsgrupp, nyligen skapat en high-fidelity-modell som mäter hur två olika jetbränslen beter sig i förbränningssektionen på en gasturbinmotor.

Deras upptäckt? Beräkningsmodellerna kunde förutsäga trender i "mager utblåsning" - ett tillstånd där en gasturbinmotors flamma sputtrar som svar på mindre bränsle - vilket visas i en studie från 2018.

I en annan studie, Kompis, i samarbete med Air Force Research Laboratory, utvecklat högupplösta simuleringar för rotationsdetonationsmotorer (RDE). Dessa verktyg hjälper ingenjörer att påskynda utformningen av RDE, som har potential att möjliggöra framtida supersoniska och hypersoniska flygningar.

Varpfart framåt

Kundu och Soms team arbetar nu med NASA Langley för att simulera överljudsförbränning och lägga till några av laboratoriets modeller i rymdorganisationens beräkningsvätskedynamik, känd som VULCAN.

Över på APS, Sforzo, Kastengren och Powell försöker observera hur bränsle beter sig omedelbart efter att det lämnat munstycket. "Vi hoppas kunna gå mot mer relevanta motorförhållanden - högre tryck, högre temperaturer, mer relevanta vätskor, sa Sforzo.

Under tiden, Kundu väntar på de experimentella resultaten. "Om vi ​​kan karaktärisera bränsledropparnas diameter och hastigheter ännu närmare munstycket, våra modellers förutsägbara noggrannhet kommer att öka avsevärt, " han sa.

DOE:s kontor för energieffektivitet och förnybar energi, Vehicle Technologies Office finansierar forskningsprogrammet om bränslespray som är relevant för bensin och diesel direktinsprutning.