Quem olha para as estrelas também sonha em ir para o espaço. Transformar esse sonho em realidade depende de inúmeros avanços tecnológicos. Um deles são novos foguetes e motores de aeronaves, que estão se tornando mais fáceis e baratos de projetar e testar, graças em parte aos cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Melhores foguetes e motores a jato moverão o sonho de nossas cabeças para mais perto da realidade. Mais importante, também tornarão o transporte aéreo mais limpo e eficiente, ao mesmo tempo que fortalecerá nossa segurança nacional.

Empresas aeroespaciais e de defesa gastam bilhões ao longo de muitos anos para projetar e testar novos foguetes e motores de turbina a gás. Felizmente, os cientistas podem reduzir drasticamente esse esforço ao construir um ciclo virtuoso de experimentos e simulações de computador. Uma equipe de cientistas da Argonne está combinando experimentos únicos de raios-X com novas simulações de computador para ajudar os engenheiros de empresas aeroespaciais e de defesa a economizar tempo e dinheiro.

Os raios X podem abrir portas

O processo começa na Fonte Avançada de Fótons (APS) de Argonne, que produz raios X ultrabrilhantes; eles são mais de um milhão de vezes mais brilhantes do que os de um consultório dentário. Usando a linha de luz de raios-X 7-BM no APS, engenheiros Brandon Sforzo, Alan Kastengren e Chris Powell examinam o aço do injetor de combustível de um motor usando este microscópio 3-D de última geração, o que diferencia as capacidades de Argonne de outras.

"A visualização através do aço com este detalhe não é possível com nenhuma outra técnica de diagnóstico, "disse Prithwish Kundu, um engenheiro aeroespacial na Argonne que desenvolve modelos de computador preditivos derivados de experimentos na APS, um DOE Office of Science User Facility.

Sforzo concorda. “Se você não tem o brilho da luz que temos aqui, você não pode ver o que está acontecendo dentro desses dispositivos, ", disse ele." Ninguém mais está pesquisando a dinâmica dos fluidos nas condições relevantes com uma fonte de luz baseada em acelerador (os feixes de raios X de alto brilho do APS) como nós. "

Em 2019, a equipe investigou a dinâmica dos fluidos dentro de um motor de turbina a gás e encontrou um comportamento que surpreendeu Sforzo e seus colegas. "Pudemos ver o spray de líquido terminando em lugares inesperados."

Esses tipos de revelações, descrito em um novo artigo, ajudam os cientistas a entender a física fundamental que, em última análise, afetam o desempenho do motor, impulso, e emissões. Eles também dão a cientistas como Kundu, que alimentam essas informações nos supercomputadores do laboratório, blocos de construção - conhecidos como condições de limite - que permitem simulações de alta fidelidade. Eles abrem muitas portas para a investigação.

Uma nova era de design começa

As condições de limite são parâmetros detalhados que atuam como guarda-corpos; com as condições de contorno certas, os cientistas podem construir modelos que prevêem uma série de comportamentos do motor - envolvendo pressão, temperaturas, massa, velocidade e assim por diante - isso pode ser incomensurável durante os experimentos.

"Com os modelos preditivos certos, podemos reduzir os custos de teste e desenvolvimento por uma grande margem, "disse Kundu.

A busca por reduzir tempo e custos ganhou impulso. Enquanto a engenharia prospera em modelos 3D de alta fidelidade, esses modelos costumam ser executados por meses em supercomputadores - um recurso escasso para a maioria das empresas.

Para resolver este desafio, Kundu, junto com Opeoluwa Owoyele e Pinaki Pal, agora estão explorando um tipo de inteligência artificial conhecido como redes neurais profundas, que ajudam os computadores a encontrar padrões em grandes, conjuntos de dados complexos. Eles já desenvolveram algoritmos de rede neural que reduzem significativamente o tempo que leva para otimizar modelos; as equações também ajudam os cientistas a entender o funcionamento caótico dos motores de combustão.

"Existem tantos parâmetros em um motor - a mente humana não consegue analisar um espaço de 10 dimensões, "Kundu disse.

Usando os computadores de alto desempenho Blues e Bebop da Argonne, Kundu e Sibendu Som, gerente do grupo de Computação Multifísica do laboratório, criou recentemente um modelo de alta fidelidade que mede como dois combustíveis de jato diferentes se comportam na seção do combustor de um motor de turbina a gás.

Sua descoberta? Os modelos computacionais foram capazes de prever tendências de "explosão enxuta" - uma condição na qual a chama de um motor de turbina a gás estala em resposta a menos combustível - conforme mostrado em um estudo de 2018.

Em outro estudo, Amigo, em colaboração com o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, desenvolveu simulações de alta fidelidade para motores de detonação rotacional (RDEs). Essas ferramentas ajudarão os engenheiros a acelerar o projeto de RDEs, que têm o potencial de permitir voos supersônicos e hipersônicos futuros.

Velocidade de dobra à frente

A equipe de Kundu e Som agora está trabalhando com a NASA Langley para simular a combustão supersônica e adicionar alguns dos modelos do laboratório ao código de dinâmica de fluidos computacional da agência espacial, conhecido como VULCAN.

Na APS, Sforzo, Kastengren e Powell procuram observar como o combustível se comporta imediatamente após deixar o bico. "Esperamos avançar em direção a condições de motor mais relevantes - pressões mais altas, temperaturas mais altas, líquidos mais relevantes, "disse Sforzo.

Enquanto isso, Kundu aguarda os resultados experimentais. “Se pudermos caracterizar o diâmetro e as velocidades das gotas de combustível ainda mais perto do bico, a precisão preditiva de nossos modelos aumentará significativamente, " ele disse.

Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, O Vehicle Technologies Office financia o programa de pesquisa de spray de combustível relevante para a injeção direta de gasolina e diesel.