Cualquiera que mire a las estrellas también sueña con ir al espacio. Hacer realidad este sueño depende de innumerables avances tecnológicos. Uno de ellos son los nuevos motores de cohetes y aviones, que son cada vez más fáciles y económicos de diseñar y probar, gracias en parte a los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Mejores cohetes y motores a reacción acercarán el sueño de nuestras cabezas a la realidad. Más importante, también harán que el transporte aéreo sea más limpio y eficiente, al tiempo que fortalecerán nuestra seguridad nacional.

Las empresas aeroespaciales y de defensa gastan miles de millones durante muchos años para diseñar y probar nuevos cohetes y motores de turbinas de gas. Afortunadamente, los científicos pueden recortar ese esfuerzo drásticamente cuando construyen un círculo virtuoso de experimentos y simulaciones por computadora. Un equipo de científicos de Argonne está combinando experimentos de rayos X únicos en su tipo con simulaciones por computadora novedosas para ayudar a los ingenieros de las empresas aeroespaciales y de defensa a ahorrar tiempo y dinero.

Los rayos X pueden abrir puertas

El proceso comienza en la fuente de fotones avanzada (APS) de Argonne, que produce rayos X ultrabrillantes; son más de un millón de veces más brillantes que las del consultorio del dentista. Usando la línea de rayos X 7-BM en el APS, ingenieros Brandon Sforzo, Alan Kastengren y Chris Powell miran a través del acero del inyector de combustible de un motor usando este último microscopio 3D, lo que distingue las capacidades de Argonne de otras.

"Visualizar a través del acero con este detalle no es posible con ninguna otra técnica de diagnóstico, "dijo Prithwish Kundu, un ingeniero aeroespacial en Argonne que desarrolla modelos informáticos predictivos derivados de experimentos en el APS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Sforzo está de acuerdo. "Si no tienes el brillo de la luz que tenemos aquí, no puede ver lo que sucede dentro de estos dispositivos, ", dijo." Nadie más está investigando la dinámica de fluidos en las condiciones relevantes con una fuente de luz basada en un acelerador (los haces de rayos X de alto brillo del APS) como nosotros ".

En 2019, el equipo investigó la dinámica de fluidos dentro de un motor de turbina de gas y encontró un comportamiento que sorprendió a Sforzo y sus colegas. "Pudimos ver que el líquido pulverizado terminaba en lugares inesperados".

Este tipo de revelaciones, descrito en un nuevo artículo, ayudar a los científicos a comprender la física fundamental que, por último, afectar el rendimiento del motor, empuje, y emisiones. También les dan a científicos como Kundu, que introducen esta información en las supercomputadoras del laboratorio, bloques de construcción, conocidos como condiciones de contorno, que permiten simulaciones de alta fidelidad. Abren muchas puertas de investigación.

Despega una nueva era de diseño

Las condiciones de contorno son parámetros detallados que actúan como barandas; con las condiciones de contorno adecuadas, Los científicos pueden construir modelos que predicen una serie de comportamientos del motor, que involucran presión, temperaturas masa, velocidad, etc., que pueden ser inconmensurables durante los experimentos.

"Con los modelos predictivos adecuados, podemos reducir los costos de prueba y desarrollo por un amplio margen, "dijo Kundu.

La búsqueda para reducir el tiempo y los costos ha cobrado impulso. Si bien la ingeniería prospera con modelos 3D de alta fidelidad, esos modelos a menudo se ejecutan durante meses en supercomputadoras, un recurso escaso para la mayoría de las empresas.

Para resolver este desafío, Kundu, junto con Opeoluwa Owoyele y Pinaki Pal, ahora están explorando un tipo de inteligencia artificial conocida como redes neuronales profundas, que ayudan a las computadoras a encontrar patrones en grandes conjuntos de datos complejos. Ya han desarrollado algoritmos de redes neuronales que reducen significativamente el tiempo que lleva optimizar los modelos; las ecuaciones también ayudan a los científicos a comprender el caótico funcionamiento interno de los motores de combustión.

"Hay tantos parámetros en un motor:la mente humana no puede analizar un espacio de 10 dimensiones, "Dijo Kundu.

Usando computadoras de alto rendimiento Argonne's Blues y Bebop, Kundu y Sibendu Som, gerente del grupo de Computación Multifísica del laboratorio, Recientemente creó un modelo de alta fidelidad que mide cómo se comportan dos combustibles de avión diferentes en la sección de combustión de un motor de turbina de gas.

¿Su descubrimiento? Los modelos computacionales pudieron predecir tendencias en el "reventón magro", una condición en la que la llama de un motor de turbina de gas chisporrotea en respuesta a menos combustible, como se muestra en un estudio de 2018.

En otro estudio, Camarada, en colaboración con el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, desarrolló simulaciones de alta fidelidad para motores de detonación rotacional (RDE). Estas herramientas ayudarán a los ingenieros a acelerar el diseño de RDE, que tienen el potencial de permitir futuros vuelos supersónicos e hipersónicos.

Velocidad de deformación por delante

El equipo de Kundu y Som ahora está trabajando con la NASA Langley para simular la combustión supersónica y agregar algunos de los modelos del laboratorio al código de dinámica de fluidos computacional de la agencia espacial. conocido como VULCAN.

En el APS, Sforzo, Kastengren y Powell buscan observar cómo se comporta el combustible inmediatamente después de que sale de la boquilla. "Esperamos avanzar hacia condiciones de motor más relevantes:presiones más altas, temperaturas más altas, líquidos más relevantes, "dijo Sforzo.

Mientras tanto, Kundu espera esos resultados experimentales. "Si podemos caracterizar el diámetro y las velocidades de las gotas de combustible aún más cerca de la boquilla, la precisión predictiva de nuestros modelos aumentará significativamente, " él dijo.

Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, La Oficina de Tecnologías de Vehículos financia el programa de investigación de pulverización de combustible relevante para la inyección directa de gasolina y diésel.