新的Argonne Lab计算模型可加速一代高超音速飞行的发动机开发

2019-06-19 17:54:29

Argonne的新型数值模拟工具可帮助研究人员更好地了解有朝一日可能推动下一代飞机和火箭的强大发动机。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家与空军研究实验室(AFRL)和Convergent Science Inc.合作,创造了一种新的数值模拟工具,可以更好地理解强大的发动机有一天推动下一代飞机和火箭。

旋转爆震发动机(RDEs)在过去十年中受到了推进界的极大关注。

“这项工作旨在为RDE开发一个强大的,预测性和计算效率的燃烧模型。” - Sibendu Som,计算科学家兼Argonne多物理计算小组经理

与依赖亚音速恒压燃烧的传统燃气涡轮发动机不同,RDE利用高强度,自持续爆炸 - 超音速反应波加上冲击 - 快速消耗燃料 - 空气混合物,通常为环形,圆柱形腔室。

利用RDE,有一个有效的压力增益:爆炸产生的强烈和快速的能量释放可用于从相对较小的燃烧室产生极高的推力。

此外,这些发动机结构紧凑,不包含活动部件,比传统燃烧系统更有效,在高频下提供稳定推力,并且可与现有飞机和火箭发动机硬件集成。

这些独特的功能使RDE成为各种机构广泛研究的主题,包括空军,海军,陆军研究实验室,美国国家航空航天局以及美国和国外的航空航天公司。

尽管它们提供了潜在的好处,但RDE的实际实施一直难以实现。

“ RDE的操作和性能取决于很多因素,” AFRL的研究工程师Brent Rankin说。“燃烧的行为必须研究并通过了技术成为可行的实际大的设计空间进行了优化。”

阿贡国家安全计划主任基思布拉德利说,该实验室是进行这项研究的理想场所。

“阿贡有着独特的科学规模。与更传统的爱迪生方法相比,我们的科学专业知识,独一无二的实验设施,先进的建模和模拟技术可以实现更好,更快,更便宜的开发,“他说。

先前的数值模拟为研究人员提供了对RDE中发生的燃烧现象的基本见解,但它们在计算上非常昂贵,妨碍了对各种操作条件的严格研究。

为了解决这个问题,Argonne多物理计算小组的计算科学家和经理Sibendu Som和Argonne能源系统部门的机械工程师Pinaki Pal与AFRL的 Rankin 和Convergent Science Inc.的研究人员合作开发计算流体动力学(CFD)模型,用于预测RDE的燃烧行为。

“这项工作旨在为RDE开发一种强大,预测性和计算效率高的燃烧模型,”Som说。

负责领导Argonne工作的Pal表示,计算建模和仿真可以在设计这些引擎时发挥重要作用。

“很少有研究考虑过对全尺寸RDE燃烧室几何结构的建模,它可以为您提供最准确的信息 - 主要是因为这些模拟可能非常耗时,”他说。“新的模式使我们能够捕捉准确真实的配置和合理的成本燃烧行为。”

该模型根据Rankin在AFRL的实验提供的数据进行了验证。该团队证明CFD模型可以在不同的操作条件下捕获RDE燃烧动态。

“这样的模型可用于在大型设计空间上快速生成模拟数据,然后可以与先进的基于机器学习的技术相结合,以快速优化燃烧器设计,”Pal说。“我们已经证明这种方法用于内燃机,它可以扩展到快速发展经济体也是如此。”

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