超级计算机模拟展示了清理和加速燃气轮机的方法

当您乘坐飞机、火车或游轮旅行时，您很可能是在借助燃气轮机的动力旅行。这些是将气体或液体燃料转化为机械能的内燃机。该过程涉及空气、燃料、压缩和火。虽然这些现代发电机很常见且可靠，但科学家们仍在努力更好地了解燃气轮机的运行方式，以便让它们变得更好。

考虑到这一点，佐治亚理工学院(GeorgiaTech)的一组研究人员使用加州大学圣地亚哥分校圣地亚哥超级计算机中心的Expanse和匹兹堡超级计算中心的Bridges-2进行模拟，以展示开发更高效的新方法和更清洁的燃气轮机燃烧系统。Expanse还用于存储大型模拟文件。

这项名为“混合物成分和径向火焰位置对横流反应射流中反向旋转涡对演化的影响”的研究已发表在美国航空航天学会(AIAA)SciTech2023论坛论文集、AIAASCITECH2023上论坛。

“通过XSEDE/ACCESS等程序访问超级计算机使我们可以免费分配运行这些大型模拟，否则这些模拟需要很长时间才能运行，”佐治亚理工学院航空航天燃烧实验室的合著者兼副主任VishalAcharya说航空航天工程。“可通过XSEDE/ACCESS访问的国家系统，如Expanse和Bridges-2，已经为这些模拟进行了很好的设置，而且它们只会变得更快——我们使用它们节省了大量时间，免费访问也意味着我们节省了研究资金。“

模拟帮助研究团队解决了燃烧的作用及其与射流剪切层的相互作用——射流剪切层是负责形成湍流结构和涡流的区域，它们控制着流体的厚度和速度随时间和空间的混合和扩散(即“流场”)。该研究还表明，在某些条件下，流场的整个拓扑结构可以完全改变，对流动的混合性能产生重大影响。

“我们的研究不仅分析了燃烧对一组新条件下的流动结构和流动物理学的影响，而且还为开发排放较少污染的系统提供了重要指导，”该研究的主要作者VedanthNair说。佐治亚理工学院航空航天燃烧实验室的工程师。

“研究中分析的流动配置-横流射流-是一个典型的流场，可以在多个实际系统中观察到，特别是在燃气轮机中，其目的是有效地将两股不同的流体(例如燃料)混合成热横流或将空气冷却成燃烧气体。”

Acharya说，这项研究是一个更大项目的一部分，该项目使用实验和计算工具来研究交叉流喷射中复杂的反应流体力学，这有助于改善它们在不同燃烧系统中的使用。虽然计算工具允许团队仔细更改每个参数以分析燃烧的特定流体力学效应，但实验为观察到的流动结构提供了真实的背景。

“我们的实验结果表明，在我们在模拟中考虑的条件下，燃烧对流动结构有重大影响，”Nair说。“此外，它还展示了在研究横流反应射流时需要考虑的另一个重要参数——射流的雷诺数，它是射流惯性与粘性趋势的量度。”

该团队目前的工作是进一步推进这项研究，计划捕捉粘度/雷诺数对特定火焰流配置的影响，并扩展操作条件，以便它们符合更实用的燃气轮机系统。同样，他们计划使用超级计算机进行模拟。