首次用X射線進(jìn)行燃燒實驗

科學(xué)家首次在使用X射線的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中進(jìn)行了實驗?？茖W(xué)家說，這些數(shù)據(jù)將有助于推進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)設(shè)計，從而提高功率密度和效率。美國陸軍研究實驗室的無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)推進(jìn)中心首次在使用X射線的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中進(jìn)行了實驗。科學(xué)家說，這些數(shù)據(jù)將有助于推進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)設(shè)計，從而提高功率密度和效率。這是世界上最強(qiáng)大的X射線源，”伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校機(jī)械科學(xué)與工程系副教授Tonghun Lee博士說，他最近與ARL合作。

Lee和他的研究生以及來自ARL UAS推進(jìn)中心的合作伙伴在伊利諾伊州Argonne國家實驗室的美國能源部高級光子源開設(shè)了店鋪，從而進(jìn)行了一項獨(dú)特的實驗，并持續(xù)到4月11日。

“我們將在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)進(jìn)行與陸軍相關(guān)的噴霧成像，”李說。

李說他們的實驗?zāi)７铝说湫偷年戃娭鄙龣C(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)內(nèi)發(fā)生的情況。

在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)內(nèi)部，燃燒器被供給高壓空氣，該高壓空氣通過恒定壓力加熱。在加熱之后，空氣從燃燒器通過噴嘴導(dǎo)向葉片到達(dá)渦輪機(jī)，產(chǎn)生推力。燃燒室在確定發(fā)動機(jī)的許多運(yùn)行特性(如功率密度，燃油效率和排放水平)方面起著至關(guān)重要的作用。

“我們正在進(jìn)行燃燒，這是有史以來第一次在APS進(jìn)行，我們正在使用X射線源對噴射器尖端的噴霧破碎進(jìn)行成像，”他說。“通常，液體破裂的區(qū)域非常密集，很難在那里對任何東西進(jìn)行成像。”

通過使用世界上最強(qiáng)大的X射線源，該團(tuán)隊能夠穿透并了解韌帶或燃燒的燃料束如何分解成小液滴。

“我們正在努力了解燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)究竟發(fā)生了什么，以了解它如何響應(yīng)不同的運(yùn)行條件，”Lee說。

在該實驗期間收集的數(shù)據(jù)將成為數(shù)值模擬的初始條件，這將進(jìn)一步了解燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器。

“我們試圖了解物理學(xué)，到目前為止我們一直在猜測，我們可以真實地使用這種X射線源進(jìn)行可視化，”他說。“我們想要了解我們現(xiàn)在正在做什么，了解燃料的影響。當(dāng)士兵在不同的位置，他們有不同類型的燃料時，它會如何影響他們的燃燒器?”

該教授表示，從長期來看，他希望實驗數(shù)據(jù)能夠讓研究人員為未來設(shè)計出更優(yōu)化的燃燒室系統(tǒng)。

“在過去十年左右的時間里，Advance Photon Source已經(jīng)花費(fèi)了大量的精力去研究噴霧液滴的分解。而且從未在現(xiàn)場燃燒環(huán)境中完成，”Lee說。“因此，我們制造硬件以實現(xiàn)這一目標(biāo)，這實際上是第一次在燃燒器中燃燒燃燒的情況下完成。”

Lee雖然還是UIUC的一名教員，但他最近還接受了另一個位于伊利諾伊州ARL Central實驗室區(qū)域辦事處的研究員職位。陸軍于2017年11月成立了ARL Central，作為其總部位于馬里蘭州的總部的延伸，目標(biāo)是利用區(qū)域科技人才。

“很高興看到一支ARL，UIUC和Argonne研究團(tuán)隊與先進(jìn)光子源的獨(dú)特能力合作，獲得對燃料噴射和燃燒過程的前所未有的洞察力，”ARL中央?yún)^(qū)域負(fù)責(zé)人Mark Tschopp博士說。“看到這個新穎的實驗是非常令人興奮的，因為它象征著ARL Central的全部意義 - 合作加速未來陸軍應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。”

該實驗是該實驗室新的UAS推進(jìn)中心的第一個成就，它啟動了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的大規(guī)模合作。ARL于4月2日為該中心剪彩。

“我很高興在UAS推進(jìn)中心剪彩儀式之后進(jìn)行這一歷史性實驗，”中心創(chuàng)始人Chol-Bum博士“Mike”Kweon說道，他也是實驗室的推進(jìn)部門負(fù)責(zé)人。“我很興奮地實時觀察燃?xì)廨啓C(jī)燃燒中噴霧破碎過程的質(zhì)量，這在這種質(zhì)量下非常難以測量。”

實驗室車輛技術(shù)理事會主任Jaret Riddick博士4月4日親自觀看了這次實驗。

“未來垂直升力是陸軍六大現(xiàn)代化重點(diǎn)之一，”里迪克說。“未來的戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)將在未來垂直升降機(jī)的無人駕駛團(tuán)隊中發(fā)揮關(guān)鍵作用。”

他說，未來無人機(jī)小型發(fā)動機(jī)技術(shù)的突破將使更長的持續(xù)時間，更大的有效載荷和靜音運(yùn)行成為可能。

“通過新成立的UAS推進(jìn)中心的研究合作伙伴關(guān)系，例如我們在阿貢國家實驗室目睹的這一合作伙伴關(guān)系，將使這些突破成為支持未來垂直升力的陸軍現(xiàn)代化優(yōu)先事項，”他說。