近日，阿贡国家实验室与美国国家能源技术实验室(NETL)携手合作，共同推进旋转爆震发动机(RDE)的研究工作。双方科学家开发建模和计算流体动力学工具，以深入探究发动机的燃烧过程。

几十年来，研究人员一直认识到RDE在为下一代高超声速吸气式发动机、火箭发动机和固定式发电燃气轮机系统提供动力方面具有巨大潜力，然而实现这一潜力充满挑战。目前，RDE仍处于实验阶段，它是一种利用超音速爆震波燃烧燃料的创新发电和推进技术，能够高效提取能量，与传统燃气涡轮发动机相比，具有效率更高、排放更低等潜在优势。

阿贡国家实验室先进推进和动力部门主任Sibendu Som表示，作为阿贡国家实验室在燃烧建模和高性能计算领域开创性工作的一部分，科学家们一直在积极研究RDE，以推进发电和推进技术。尽管RDE机械结构简单，但其非稳定燃烧过程极为复杂，传统方法难以对其进行有效研究和开发。计算机建模和仿真在帮助科学家和工程师理解RDE内部工作原理背后的关键物理原理以及制定改进设计策略方面发挥着关键作用，RDE有望成为传统燃气涡轮发动机的超高效替代方案。

在此次合作中，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室和国家能源技术实验室利用各自在RDE领域的专业知识，开发先进的计算流体动力学(CFD)工具，帮助科学家更深入了解燃烧过程，释放发动机更多潜力，同时希望在不牺牲预测准确性的前提下，使建模过程更快、更经济。

阿贡国家实验室利用先进的燃烧模型和独特的高保真CFD模拟工具探索和分析RDE，还借助其世界一流的超级计算和人工智能能力，对全尺寸RDE进行高效计算模拟。NETL则贡献其最先进的高压RDE设施的实验测试数据，以帮助验证和确认阿贡国家实验室的新型CFD模拟工具。NETL领导着RDE实验研究项目，致力于将这项前景广阔的技术推广到发电行业。

Sibendu Som指出，阿贡国家实验室和国家能源技术实验室之间的合作充分利用了两个国家实验室的关键优势，有可能真正加速RDE技术在地面动力应用领域的发展。

RDE的优势之一是与天然气高度兼容，并可与氢气等替代燃料混合，这对固定式发电的未来至关重要。固定式发电系统如燃气轮机和蒸汽轮机用于发电厂发电。项目合作者、NETL研究与创新中心热科学组研究工程师唐·弗格森表示，除提高效率外，RDE设计简单以及可与氢气和氢 - 天然气混合燃料一起使用的潜力，使其成为一种很有前景的技术，可集成到现有电网中。

此外，世界各地的航空航天公司和政府都在积极推行RDE。与传统火箭发动机相比，RDE具有效率更高、重量更轻等优势，有望彻底改变太空探索。然而，虽然高速实验诊断取得重大进展，但RDE燃烧过程的不稳定和混乱性质使得难以充分表征重要的化学和物理过程。NETL研究工程师兼合作者Peter Strakey表示，随着CFD工具变得越来越复杂，它们能够更好地模拟和更深入地理解那些不易测量的RDE现象，计算机模拟还可提供对优化RDE设计至关重要的附加信息，并有助于选择有前景的配置以供进一步的实验研究。

不过，RDE的计算机模拟面临诸多困难。这类发动机具有复杂的非稳态物理特性，涉及湍流、冲击波、化学动力学和壁面传热，由于这些现象之间的相互作用尚不清楚，因此它们并未被纳入当前的CFD建模方法中。RDE的性能也与燃烧室和燃油/空气供给系统的设计密切相关。阿贡国家实验室高级研究员、该项目首席研究员皮纳基·帕尔表示，CFD模型需要考虑全尺寸几何结构和复杂的物理特性，以便对RDE的模拟具有预测性，但这会导致高昂的计算成本，希望通过这项研究努力弥合RDE模拟的预测准确性和计算效率之间的差距。

为实现项目目标，研究人员正在利用阿贡独特的高保真CFD和所谓的降阶或简化燃烧建模工具。他们使用阿贡国家实验室突破性的Nek5000流动求解器，该求解器能够以惊人的速度和精度解决计算流体力学(CFD)问题，旨在在大型超级计算机上高效运行，并将尖端数学技术与复杂形状和系统的灵活建模相结合。最近的升级扩展了Nek5000的高速可压缩反应流建模能力。阿贡首席研究科学家穆辛·阿明表示，能够处理带有冲击和化学反应的完全可压缩流动，使得该代码非常适合模拟RDE中遇到的复杂物理现象。

这些Nek5000模拟的高保真数据集将用于开发湍流燃烧和壁面传热模型，以增强对RDE物理的理解。这些模型随后将用于更快、更全面的发动机模拟，并与NETL的实验数据进行测试。最后，研究人员将努力最大限度地降低与详细化学动力学相关的高计算成本，利用内部基于物理和数据驱动的技术对燃料化学进行降阶表示，涉及一个独特的湍流燃烧建模框架——动态自适应燃烧模型。阿贡国家实验室高级研究员徐超表示，这种详细和降阶燃烧模型的混合应用，而不是单一的详细方法，平衡了模拟精度和吞吐量。该模型将首次扩展到RDE，并与阿贡国家实验室先前开发的CFD方法相结合，目标是将模拟速度比最先进的CFD模型提高至少十倍。

帕尔表示，加快RDE模拟速度并实现高精度将增强CFD工具的可靠性，并显著缩短求解时间，这对于加快RDE技术的设计周期并帮助美国实现未来能源效率目标至关重要。阿贡团队还包括博士后研究员本杰明·基顿。据悉，阿贡国家实验室正在领导由美国能源部先进涡轮机计划资助的为期三年的RDE建模和模拟重点项目。