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【天富娱乐注册app】橡树岭正在研究中子线束发动机 可获得更高能效和超低排放

为了寻求具有更高能效和超低排放的先进车辆,橡树岭国家实验室的研究人员正在加速研制一种研究引擎,让科学家和工程师实时了解内燃机的原子级工作原理。

新引擎是一种专门为在中子束线内运行而制造的发动机。这台中子发动机提供了一个独特的样品环境,允许研究新合金的结构变化,设计用于高温环境,先进的内燃机在现实条件下运行。

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2017年,研究人员成功地评估了一个小型的原型发动机,气缸盖由实验室制造的新型高温铝铈合金铸造而成。这是世界上第一次利用瓦肯中子衍射仪对运行中的发动机进行中子衍射分析能源部的散裂中子源,或称SNS,位于ORNL。

这项研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上,不仅证明了这种独特合金的耐用性,而且证明了利用中子等非破坏性方法分析新材料的价值。

中子甚至能穿透致密金属。当中子从一种物质中的原子散开时,它们为研究人员提供了丰富的原子尺度结构信息。在这种情况下,科学家们确定了合金在高温和极端应力或张力等操作条件下的性能,以确定哪怕是最小的缺陷。

这项实验的成功促使ORNL设计了一个专门构建的研究引擎,用于VULCAN的工业相关规模。这种能力是基于一个两升四缸的汽车发动机,改装成在一个气缸上运行,以节省光束线上的样品空间。发动机平台可绕气缸轴旋转,以提供最大的测量灵活性。这台发动机是专门为中子研究而设计的,包括使用氟碳基冷却剂和机油,这样可以提高燃烧室的能见度。

这项能力将为研究人员提供所需的实验结果,以便快速、准确地审查新材料,并改进发动机设计的高保真计算模型。

“在世界各地,工业界、国家实验室和学术界都在研究发动机中发生的湍流燃烧与通过固体成分发生的传热过程之间的界面。”ORNL项目负责人马丁·维辛克(Martin Wissink)说理解和优化这一过程对于提高发动机的热效率是非常关键的。

“但目前,这些模型中的大多数几乎没有现场验证数据,其目的是在整个区域内完全解决燃烧室中所有金属部件的应力、应变和温度。”他补充道。

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ORNL的研究人员Martin Wissink(L)和Ke An(R)与同事一起设计并测试了ORNL散裂中子源VULCAN束线中运行的内燃机原型,证明了一种新的、非破坏性的能力,能够在现实环境中从原子水平分析先进飞行器的材料

图片来源:Genevieve Martin/ORNL美国能源部。

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该发动机已按照ORNL规范设计,目前正在与西南研究院进行最终开发,并将在美国能源部国家运输研究中心(NTRC)进行调试,然后在SNS首次使用,预计在2021年底。NTRC和SNS都是DOE的科学用户设施,为世界各地的研究人员提供了获取现代科学最先进工具的途径。

该仪器的首席科学家Ke-An说,SNS的火神仪器非常适合研究,因为它可以容纳更大的结构。万凯设计用于变形、相变、残余应力、织构和微观结构研究。据安说,他们正在为中子发动机准备一个新的排气系统和其他改造,包括一个新的发动机控制接口平台。

安说:“这将使人们兴奋,在更大、最先进的引擎上产生结果。中子发动机将为用户提供更多的选择,以验证他们的模型,以解决压力、应变和温度等问题。它显示了中子对重要制造业的直接价值。”

来自中子发动机的测量数据将被输入高性能计算(HPC)模型,科学家正在开发这些模型,以加速先进内燃机的突破。

研究人员感兴趣的是建立精确的现象预测,如热损失,火焰熄灭和燃油蒸发注入气缸,特别是在冷启动发动机运行时,排放往往是最高的。来自中子发动机的数据预计将提供新的理解,金属发动机部件的温度如何在整个发动机循环过程中发生变化。

由此产生的高保真模型可以在诸如Summit这样的超级计算机上快速运行,Summit是美国速度最快、人工智能能力最强的计算机。Summit位于ORNL,是橡树岭领导计算设施的一部分,也是美国能源部的科学用户设施。

Wissink说:“我们正在将这些基础科学能力与应用联系起来,并在实际工程设备和系统中进行测量,完全测量发动机部件的应变和温度是以前不可能的。将这些数据作为HPC模型的验证或边界条件是至关重要的,这些数据可以与汽车行业的研究人员共享。”

ORNL的建筑和运输科学部主任robertwagner说,中子发动机增强了ORNL和其他国家实验室的现有能力,以创造出更节能和超清洁的发动机。

瓦格纳说:“在中子束线中操作发动机的能力使我们能够在实际发动机条件下进行前所未有的测量。这种能力增加了国家实验室为提高内燃机的效率和排放而带来的独一无二的资源,例如桑迪亚国家实验室的光学发动机研究和阿贡国家实验室的先进光子源。”

目前,这些独特资源的力量正在通过一个由美国能源部车辆技术办公室领导的名为“推进内燃机合作伙伴关系”的六个实验室联合体来解决最具挑战性的问题。

瓦格纳说:“在ORNL,我们与众不同的是现有的科学组合。我们正在利用世界上最强大的中子源、美国最快的超级计算机和世界级的材料科学,与我们在运输方面的专业知识相协调,以应对未来更可持续能源的巨大挑战。”

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