德州农工大学研究人员预测控制超临界液体燃料喷射混合的新方法可能会显著影响从汽车到高超声速喷气发动机的性能和效率。
Dorrin Jarrahbashi博士和她的学生试图阐明在超临界条件下液滴破裂科学的挑战——将燃料推到传统液相或气相适用的点之上。这项研究将使用分子动力学和直接数值模拟以及高速实验测量，可能有助于引领新一代高速液体燃料推进系统，比目前的标准更快、更高效。
这项研究所寻求的知识的潜在应用包括广泛的高压推进系统，包括柴油、汽油、生物柴油、双燃料发动机、液体火箭、超燃冲压发动机、旋转爆震发动机和燃气轮机。
Jarrahbashi是J. Mike Walker '66机械工程系的助理教授，他说:“这项研究将促进下一代高速液体燃料推进系统，用于超音速和高超声速空中和太空运输以及超临界发电循环。”“这些好处将促进美国的清洁能源计划，加强国家安全、国防和经济竞争力。”
美国国家科学基金会选择Jarrahbashi为2023年教师早期职业发展(Career)奖获得者。该奖项将进一步支持她在推进液体燃料燃烧技术方面的研究。职业生涯奖表彰有前途的青年教师，因为他们追求前沿研究，同时促进教育卓越。
Jarrahbashi说:“我非常荣幸和高兴获得这一享有盛誉的奖项，它提供了所需的资源，为终身领导流体动力学的教育和研究建立了坚实的基础，对广泛的应用产生了重大影响，造福社会。”“这个CAREER项目意义重大，因为它在多个尺度上产生了关于超临界液滴破裂和相变的新知识，很难或不可能通过实验或计算获得。新知识对于增强混合以实现更高的燃烧效率和更低的排放至关重要。”
当液体燃料喷射到内燃机的压缩空气中时，它会分解成几个微米大小的液滴——形成燃料喷雾——然后蒸发成可点燃的燃料-空气混合物。这个过程叫做原子化。
这一过程的细节决定了混合物的质量，进而决定了燃烧效率和污染物的形成。为了提高这些系统的性能、效率和对环境的影响，现代发动机设计正在向高压系统发展，将燃料推向超临界状态，极大地改变了燃料的热物理性质。
Jarrahbashi的研究将探索适用于液体燃料在超临界条件下液滴破裂的机制——从分子相互作用到更高尺度的推进超临界燃烧——以改善燃烧前发生的混合控制。
研究成果将从根本上推动多相流领域的发展。该研究团队的方法将分子动力学与直接数值模拟相结合，探索超临界流体，这是一个充满潜力但具有挑战性的领域。Jarrahbashi希望她的方法将为她的团队和同行提供一个强大的新工具，能够在流体动力学和燃烧界产生重大影响。
Jarrahbashi说:“这个项目让我兴奋的是，它引入了第一个耦合分子动力学-直接数值模拟方法，用于模拟超临界破裂，使分子界面行为在模拟高速多相流时得以实现。”
该项目的挑战之一是找到一种在高压和高速条件下测量液滴雾化的方法。这些情况可能包括冲击波与燃料喷雾的相互作用，将液滴困在蒸汽云中，需要了解液滴界面分子水平相互作用的相变过程和表面张力变化。
Jarrahbashi说:“超临界破裂的计算建模需要了解相变过程和液滴界面分子水平相互作用中的表面张力变化。”“由于缺乏实验数据和界面行为理论的局限性，在模拟超临界流动时，表面张力效应被忽略了。分子动力学模拟成为确定超临界流动中相变和表面张力行为之间联系的独特工具。”
为了克服这一障碍，该团队将结合耦合分子连续统模拟和实验的方法，使用一种新的计算方法，专注于分子水平到微观尺度。
然而，分子动力学模拟受到计算成本的限制。幸运的是，德州农工大学有一些资源可以帮助缓解这些限制。Jarrahbashi和她的团队将使用德州农工高性能计算中心的高效并行计算模拟资源来克服耦合分子动力学和直接数值模拟带来的计算挑战。
该项目还将包括与桑迪亚国家实验室合作，对超临界喷雾进行高速显微成像，并为学生提供一个与燃烧研究设施一起工作的机会，因为该团队致力于建立和验证其模型。
Jarrahbashi职业生涯奖的教育部分包括旨在培养流体动力学领域包容性学习环境的工作，以及通过为代表性不足的少数族裔和女性提供持续的指导，使STEM领域的未来领导者多样化。该计划的组成部分包括培训高中教师，并在学校的科学、技术、工程和数学活动中告知学生和家长，以提高公众对流体混合的认识，以促进清洁燃烧。
Jarrahbashi说:“激励我的教育方法的愿景是，创建一个包容和综合的教育-研究框架，将培养学生在STEM领域追求更高教育和职业的关联性和能力，从而降低流失率。”“实现这一愿景需要家长、教师和学生在教育的早期阶段进行干预，让他们做好准备。”