Quiconque regarde les étoiles rêve aussi d'aller dans l'espace. Transformer ce rêve en réalité dépend d'innombrables avancées technologiques. L'un d'eux est de nouveaux moteurs de fusée et d'avion, qui deviennent de plus en plus faciles et moins chers à concevoir et à tester, grâce en partie aux scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE).

De meilleures fusées et moteurs à réaction rapprocheront le rêve de nos têtes de la réalité. Plus important, ils rendront également le transport aérien plus propre et plus efficace tout en renforçant notre sécurité nationale.

Les entreprises de l'aérospatiale et de la défense dépensent des milliards sur de nombreuses années pour concevoir et tester de nouvelles fusées et moteurs à turbine à gaz. Heureusement, les scientifiques peuvent réduire considérablement cet effort lorsqu'ils construisent un cercle vertueux d'expériences et de simulations informatiques. Une équipe de scientifiques d'Argonne combine des expériences de rayons X uniques en leur genre avec de nouvelles simulations informatiques pour aider les ingénieurs des entreprises de l'aérospatiale et de la défense à économiser du temps et de l'argent.

Les rayons X peuvent ouvrir des portes

Le processus commence à la source avancée de photons (APS) d'Argonne, qui produit des rayons X ultra-lumineux; ils sont plus d'un million de fois plus lumineux que ceux d'un cabinet dentaire. En utilisant la ligne de rayons X 7-BM de l'APS, ingénieurs Brandon Sforzo, Alan Kastengren et Chris Powell scrutent l'acier de l'injecteur de carburant d'un moteur à l'aide de ce microscope 3D ultime, qui distingue les capacités d'Argonne des autres.

"La visualisation à travers l'acier avec ce détail n'est possible avec aucune autre technique de diagnostic, " dit Prithwish Kundu, un ingénieur aérospatial à Argonne qui développe des modèles informatiques prédictifs issus d'expériences à l'APS, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Sforzo est d'accord. "Si vous n'avez pas l'éclat de la lumière que nous avons ici, vous ne pouvez pas voir ce qui se passe à l'intérieur de ces appareils, ", a-t-il déclaré. "Personne d'autre ne fait de recherches sur la dynamique des fluides dans les conditions appropriées avec une source de lumière basée sur un accélérateur (les faisceaux de rayons X à haute luminosité de l'APS) comme nous le sommes."

De retour en 2019, l'équipe a étudié la dynamique des fluides dans un moteur à turbine à gaz et a découvert un comportement qui a surpris Sforzo et ses collègues. "Nous pouvions voir le spray liquide se retrouver dans des endroits inattendus."

Ce genre de révélations, décrit dans un nouvel article, aider les scientifiques à comprendre la physique fondamentale qui, finalement, affecter les performances du moteur, poussée, et les émissions. Ils donnent également à des scientifiques comme Kundu, qui alimentent ces informations dans les supercalculateurs du laboratoire, blocs de construction, appelés conditions aux limites, qui permettent des simulations haute fidélité. Ils ouvrent de nombreuses portes d'enquête.

Une nouvelle ère du design prend son envol

Les conditions aux limites sont des paramètres détaillés qui agissent comme des garde-corps ; avec les bonnes conditions aux limites, les scientifiques peuvent construire des modèles qui prédisent une multitude de comportements du moteur, impliquant la pression, températures, Masse, vitesse et ainsi de suite—qui peut être non mesurable pendant les expériences.

"Avec les bons modèles prédictifs, nous pouvons réduire considérablement les coûts de test et de développement, " dit Kundu.

La quête de réduction du temps et des coûts a pris de l'ampleur. Alors que l'ingénierie prospère sur des modèles 3D haute fidélité, ces modèles fonctionnent souvent pendant des mois sur des superordinateurs, une ressource rare pour la plupart des entreprises.

Pour résoudre ce défi, Kundu, avec Opeoluwa Owoyele et Pinaki Pal, explorent maintenant un type d'intelligence artificielle connu sous le nom de réseaux de neurones profonds, qui aident les ordinateurs à trouver des modèles au sein de grandes, ensembles de données complexes. Ils ont déjà développé des algorithmes de réseau de neurones qui réduisent considérablement le temps nécessaire à l'optimisation des modèles; les équations aident également les scientifiques à comprendre le fonctionnement interne chaotique des moteurs à combustion.

"Il y a tellement de paramètres dans un moteur - l'esprit humain ne peut pas analyser un espace à 10 dimensions, " dit Kundu.

En utilisant les ordinateurs hautes performances Blues et Bebop d'Argonne, Kundu et Sibendu Som, responsable du groupe Calcul Multi-Physique du laboratoire, a récemment créé un modèle haute fidélité qui mesure le comportement de deux carburéacteurs différents dans la section de combustion d'un moteur à turbine à gaz.

Leur découverte ? Les modèles informatiques ont pu prédire les tendances de « l'éruption pauvre » - une condition dans laquelle la flamme d'un moteur à turbine à gaz crachote en réponse à moins de carburant - comme le montre une étude de 2018.

Dans une autre étude, Copain, en collaboration avec le Laboratoire de Recherche de l'Armée de l'Air, développé des simulations haute fidélité pour les moteurs à détonation rotationnelle (RDE). Ces outils aideront les ingénieurs à accélérer la conception des RDE, qui ont le potentiel de permettre de futurs vols supersoniques et hypersoniques.

Vitesse de chaîne en avant

L'équipe de Kundu et Som travaille maintenant avec la NASA Langley pour simuler la combustion supersonique et ajouter certains des modèles du laboratoire dans le code de dynamique des fluides numérique de l'agence spatiale, connu sous le nom de VULCAN.

A l'APS, Sforzo, Kastengren et Powell cherchent à observer le comportement du carburant immédiatement après sa sortie de la buse. « Nous espérons évoluer vers des conditions de moteur plus pertinentes :des pressions plus élevées, températures plus élevées, des liquides plus pertinents, " dit Sforzo.

Pendant ce temps, Kundu attend ces résultats expérimentaux. « Si nous pouvons caractériser le diamètre et les vitesses des gouttelettes de carburant encore plus près de la buse, la précision prédictive de nos modèles augmentera considérablement, " il a dit.

Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, Le Vehicle Technologies Office finance le programme de recherche sur la pulvérisation de carburant concernant l'injection directe d'essence et de diesel.