De nouvelles capacités logicielles développées par des informaticiens du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'Énergie (DOE) et de la Rolls Royce Corporation pourraient bientôt aider les ingénieurs à améliorer l'efficacité des moteurs à turbine à gaz des avions et des centrales électriques.

Matériaux composites à matrice céramique (CMC)—résistants, matériaux légers capables de résister à des températures élevées jusqu'à 2, 000° F—sont prêts à remplacer les pièces en alliage métallique dans les zones les plus chaudes des moteurs à turbine, permettant une meilleure efficacité énergétique et moins de polluants émis. Fabrication de pièces CMC, cependant, s'est avérée longue et coûteuse en raison de la complexité de la création de matériaux composites avancés.

La réduction des coûts de production grâce à l'optimisation assistée par superordinateur des processus de fabrication CMC pourrait aider à surmonter ces obstacles.

En utilisant la modélisation et la simulation, ORNL et Rolls Royce développent des outils pour créer un bac à sable virtuel pour les fabricants de CMC afin de tester les paramètres de conception et d'identifier des stratégies pour rendre la production de CMC plus fiable. En partenariat dans le cadre du programme de calcul haute performance pour la fabrication (HPC4Mfg) du DOE, la collaboration a contribué au premier logiciel basé sur la physique axé sur le réglage fin de la fabrication de CMC.

Les logiciels, connu sous le nom de courtepointe, a été initialement développé à l'ORNL et amélioré sous HPC4Mfg en utilisant les ressources informatiques de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL.

« Les CMC représentent une technologie de changement radical pour les moteurs à turbine à gaz, mais, parce que c'est une nouvelle technologie, la technique utilisée pour produire ces pièces est un processus très difficile, " a déclaré Ramanan Sankaran, informaticien de l'ORNL, développeur de code principal pour le projet. "En appliquant le calcul haute performance à ce problème, nous pouvons obtenir une meilleure compréhension physique de ce qui se passe pendant la fabrication et potentiellement identifier des stratégies pour accélérer le processus."

Le dilemme du boulanger

Pionnier de l'ORNL et d'autres dans les années 90, Les CMC combinent des composants fragiles - des fibres céramiques en carbure de silicium (SiC) disposées dans un tissage semblable à un tissu - pour créer un matériau étonnamment résistant. La clé de cette force réside dans l'application d'un précurseur SiC commun, méthyltrichlorosilane, une vapeur gazeuse qui s'écoule à travers le tissage de fibres, ou "préforme". La vapeur réagit à la surface des fibres de SiC à des températures élevées pour enrober le matériau. Si appliqué assez longtemps, le gaz finira par remplir toutes les poches d'air de la préforme pour en faire un composant solide.

Le problème avec cette technique de fabrication, connu sous le nom d'infiltration chimique en phase vapeur, est familière à tout boulanger expérimenté dont les produits sont très demandés :comment « cuisiner, " ou densifier, le matériau CMC de l'intérieur vers l'extérieur et en un minimum de temps.

"Si vous remplissez tous les espaces dans les couches externes du tissage de fibres céramiques, vous avez à peu près scellé l'intérieur et vous vous retrouvez avec un produit creux, " dit Sankaran. " Dans Quilt, nous avons développé la capacité de prédire la qualité attendue d'un échantillon CMC en fonction de quelques variables majeures."

Quilt utilise une simulation numérique directe du flux de vapeur et une modélisation par niveau de la surface de la fibre en croissance pour estimer comment un échantillon de CMC se densifiera en fonction de la géométrie du tissage.

Exécuter le code sur le cluster de calcul OLCF Eos, Sankaran et le chercheur postdoctoral de l'ORNL Vimal Ramanuj ont simulé une préforme modèle :un empilement de bandes de fibres céramiques tissées, appelé remorquage, 10 couches d'épaisseur—avec une résolution spatiale de 600 millions de points de grille.

Vérifié par les données expérimentales fournies par Rolls Royce, Quilt résolu avec succès pour le transport de la vapeur à travers le tissage et la vitesse à laquelle le gaz a réagi avec la surface de la préforme.

"À long terme, cela pourrait être utilisé pour l'optimisation du motif de tissage, qui a un effet démesuré sur la qualité du produit final, " a déclaré Sankaran.

Fabrication in silico

Traditionnellement, L'optimisation de la CMC a été obtenue grâce à des essais et des erreurs coûteux lors de la préproduction. Courtepointe, qui devrait sortir sous des licences open source, offre aux fabricants de CMC une alternative informatique pour identifier les meilleures pratiques en fonction de variables telles que la façon dont les couches de la préforme sont empilées, combien d'espace se trouve entre les couches, et comment la vitesse de réaction entre les particules de gaz et la préforme affecte le flux de vapeur, avec la possibilité d'ajouter de nouvelles capacités à l'avenir.

Sur la base du succès de son travail initial - la résolution du modèle CMC jusqu'à l'échelle de remorquage - l'équipe a commencé à pousser vers des résolutions encore plus élevées. Fin 2018, Sankaran a commencé à travailler pour résoudre le modèle de l'équipe à l'échelle de la fibre en utilisant le supercalculateur Cray XK7 Titan de l'OLCF. A cette échelle, chaque câble est modélisé comme un faisceau de 50 fibres et la résolution spatiale est étendue à 10 milliards de points de grille, soit plus de 16 fois la résolution de la simulation à l'échelle du câble. Dans ces conditions, l'équipe peut rendre compte de milliards d'interactions gaz-fibres et peut incorporer un plus grand réalisme dans ses modèles de réaction chimique.

"Au fur et à mesure que nous progressons sur ces simulations à l'échelle de la fibre, nous allons commencer à voir en quoi ils diffèrent de l'échelle de remorquage, " Sankaran a déclaré. "Cela pourrait conduire à des voies supplémentaires pour l'optimisation."