燃气轮机，例如飞机上的喷气发动机或为许多发电站提供动力的大型机器，抽象地看起来很简单。燃料和压缩空气点燃并冲过一组绕轴旋转的叶片。但开发更先进、更高效的涡轮机需要更深入地了解通过叶片膨胀的燃烧气体的流动。

亚特兰大佐治亚理工学院的研究人员最近通过在加利福尼亚州圣地亚哥超级计算机中心和宾夕法尼亚州匹兹堡超级计算中心的强大计算机上运行大型模拟，对气体流动有了更深入的了解。喷射剪切层负责形成湍流结构和涡流，控制燃烧产物的混合和扩散，对喷射剪切层的模拟表明，在某些条件下，该层在涡轮机内部可能会突然发生变化。这些变化可能导致混合不良和氮氧化物等污染的产生。

“之前的实验工作表明，分级燃烧系统中的混合不良会直接导致氮氧化物排放量增加。本质上，如果在燃烧之前射流的内容物与横流气体混合不良，则流动成分的不均匀性质可能会导致在不利的燃料空气比下进行局部燃烧，从而导致氮氧化物增加，”前研究人员 Vedanth Nair 说道。佐治亚理工学院航空航天燃烧实验室的工程师，现在是英特尔公司的光刻工艺工程师。“了解某些燃烧配置如何影响混合将有助于更仔细地选择操作条件和设计决策。”

奈尔表示，模拟像燃气轮机内部这样复杂的环境是一项艰巨的任务。

“即使像这里所做的那样简化要研究的系统，也需要模拟数十纳秒量级的流体时间尺度，以便捕获控制混合的较小规模流体过程并影响燃烧本身，”他说。最重要的是，为了能够模拟查看这些过程所需的细节，需要比传统计算机提供更多的计算能力。

超强算力

圣地亚哥超级计算中心的 Expanse 机器和匹兹堡超级计算中心的 Bridges-2 机器都相对较新，设计用于模拟从材料科学到天体物理学的所有领域。

了解燃气轮机内部过程的一个复杂问题是，在燃烧过程中，高温气体的局部区域和化学反应释放的能量会显着改变通过涡轮机的流动组织。在模拟运行过程中，佐治亚理工学院团队发现这些元素与气体流动（称为“流场”）之间的相互作用的变化速度比之前想象的要快。此外，与流体粘度和燃气轮机燃烧室内火焰位置有关的因素都对气体的混合有很大影响。

“当你考虑下一代燃烧系统时，这一点变得越来越重要，因为它可以使用高反应性燃料，例如氢气，其行为与天然气相比有很大不同，”奈尔说。佐治亚理工学院团队包括 Timothy Lieuwen、Vishal Acharya、Abin Krishnan 和 Subodh Adhikari，他们在美国航空航天学会2023 年科学技术论坛论文集

超级计算机产生的部分可视化显示了涡流——在不同的流动条件下，当两股独立的气流相互作用时，流场中的气体旋转。“一旦这些漩涡形成，它们就会因与横流的相互作用而进一步扭曲，并且进一步的不稳定效应会将它们分开，”奈尔说。“可视化这些涡流的结构提供了有关某些燃烧效应对这些不稳定性的影响的宝贵信息，并产生了射流和横流流体之间混合的定性想法。”

奈尔表示，下一步之一将是“模拟实际系统中的高压流动条件，考虑到数值网格的额外限制和额外的计算成本，这具有挑战性。”

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