Forskere udfører det første forbrændingseksperiment nogensinde med røntgenstråler

U.S. Army Research Laboratory's Center for Unmanned Aircraft Systems Propulsion lavede en historisk første gang med sit eksperiment i en gasturbinebrænder ved hjælp af røntgenstråler. Dataene vil hjælpe med at fremme gasturbinemotordesign for højere effekttæthed og effektivitet, sagde videnskabsmænd.

"Dette er den stærkeste røntgenkilde i verden, " sagde Dr. Tonghun Lee, en lektor ved Department of Mechanical Science and Engineering University of Illinois i Urbana-Champaign, som for nylig slog sig sammen med ARL.

Lee og hans kandidatstuderende, sammen med partnere fra ARL Center for UAS Propulsion, etableret butik i det amerikanske energiministeriums avancerede fotonkilde ved Argonne National Laboratory i Illinois, resulterede i et unikt eksperiment, som fortsatte til 11. april.

"Vi er her for at lave spraybilleddannelse inde i en gasturbineforbrændingskammer, som er relevant for hæren, "Sagde Lee.

Lee sagde, at deres eksperiment efterlignede, hvad der sker inde i en typisk hærhelikopter-gasturbinemotor.

Inde i en gasturbinemotor, en brænder tilføres højtryksluft, der opvarmes ved konstant tryk. Efter opvarmning, luften passerer fra forbrændingskammeret gennem dysestyreskovlene til turbinen, producerer fremdrift. Forbrændere spiller en afgørende rolle for at bestemme mange af en motors driftskarakteristika, såsom effekttæthed, brændstofeffektivitet og emissionsniveauer.

"Vi havde en forbrænding i gang, som er udført for første gang nogensinde på APS, og vi afbilder sprøjteopbrud i spidsen af ​​injektoren ved hjælp af en røntgenkilde, " sagde han. "Typisk er det område, hvor væsken bryder op, meget tæt, og det er svært at forestille sig noget derinde."

Ved at bruge verdens mest kraftfulde røntgenkilde, holdet var i stand til at trænge ind og forstå, hvordan ledbåndene, eller tråde af brændende brændstof, opdeles i små dråber.

"Vi forsøger at forstå præcis, hvad der sker inde i gasturbinebrænderen for at forstå, hvordan den reagerer på forskellige driftsforhold, " sagde Lee.

De data, der indsamles under dette eksperiment, vil blive de indledende betingelser for numeriske simuleringer, der vil yderligere forståelse af gasturbinebrændere.

"Vi forsøger at få en forståelse af fysikken, som vi den dag i dag har spekuleret i, vi kan virkelig visualisere ved hjælp af denne røntgenkilde, " sagde han. "Vi vil gerne forstå, hvad vi laver lige nu, forstå brændstofpåvirkningen. Når soldater er af sted et andet sted, og de har forskellige typer brændstof, hvordan vil det påvirke den brænder, de har?"

Professoren sagde på lidt længere sigt, han håber, at dataene fra eksperimentet vil give forskere mulighed for at designe mere optimerede forbrændingsanlæg til fremtiden.

"The Advance Photon Source har brugt mange kræfter i løbet af det sidste årti eller deromkring på at se på spray-dråberopløsning. Og det er aldrig blevet gjort i et levende forbrændingsmiljø, "Sagde Lee." Så vi lavede hardware til at få det til at ske, og det er faktisk første gang, det nogensinde er blevet gjort live med et brændende flow i en brænder. "

Lee, mens han forbliver et fakultetsmedlem ved UIUC, for nylig accepteret en ekstra stilling som forsker på laboratoriets regionale kontor i Illinois, ARL Central. Hæren etablerede ARL Central i november 2017, som en forlængelse af dets Maryland-baserede hovedkvarter med det mål at udnytte regionale videnskabs- og teknologitalenter.

"Det var fantastisk at se et hold af ARL, UIUC and Argonne researchers working together with the unique capability at the Advanced Photon Source to gain unprecedented insight into the fuel injection and combustion process, " said ARL Central Regional Lead Dr. Mark Tschopp. "It was so exciting to see this novel experiment firsthand because it symbolizes what ARL Central is all about—partnering to accelerate discovery and innovation for future Army applications."

The experiment was the first accomplishment of the lab's new Center for UAS Propulsion, which kicked off a massive partnership between academia and industry. ARL held a ribbon cutting for the center April 2.

"I am so pleased to perform this historic experiment right after the ribbon cutting ceremony for Center for UAS Propulsion, " said center founder Dr. Chol-Bum "Mike" Kweon, who also serves as the lab's Propulsion Division chief. "I was thrilled watching the quality of the spray breakup processes in the gas turbine combustion in real time, which is extremely difficult to measure at this quality."

Dr. Jaret Riddick, director of the lab's Vehicle Technology Directorate watched the experiment in person April 4.

"Future Vertical Lift is one of the Army's six Modernization priorities, " Riddick said. "Future tactical unmanned aerial vehicles will play a key role in manned-unmanned teaming for Future Vertical Lift."

Breakthroughs in small engine technology for future unmanned aerial vehicles will enable longer duration, larger payloads and silent operation, han sagde.

"Research partnerships through the newly established Center for UAS Propulsion, such as the one we witnessed at Argonne National Lab, will make these breakthroughs possible in support of the Army modernization priority for Future Vertical Lift , " han sagde.