CONVERGE助力超高效率氢气发动机开发获得2022年HPCWIRE奖

来自Convergent Science、阿贡实验室和Aramco Americas的研究人员将重点放在氢燃料发动机开发上。近年来，氢气因其在交通运输领域作为零碳燃料的潜力而引起了人们的极大兴趣。该团队的目标是建立一个高效的ALD流程，用于开发超高效率的氢燃料动力系统。

该团队使用CONVERGE进行高保真计算流体动力学(CFD)研究，并研究不同的物理现象，包括氢气化学反应动力学、超音速氢气射流和氢气-空气混合过程。

阿贡国家实验室的Wubien博士

采用CONVERGE对氢气和空气混合过程模拟

准确的燃料反应机理是进行氢气燃烧模拟的关键。通过0D、1D和3D模拟，研究小组发现了现有氢气反应机理的不足，并采用蒙特卡罗采样方法优化了反应速率系数。优化后的氢气机理显著改善了缸内压力和热释放率的预测精度。

此外，捕捉氢气喷射和燃料-空气混合对于准确预测氢气燃烧和排放至关重要。该团队测试了不同的RANS和LES湍流模型来预测燃烧缸中的混合物分布，并采用不同的网格策略来捕捉氢气喷射的行为。

“在非常高的压力下进行氢气喷射会导致射流膨胀不足，这意味着喷嘴出口的气流是超音速的，”阿贡国家实验室的高级研究科学家罗伯托·托雷利博士说。“这需要非常精细的网格和非常小的时间步长来实现精确的解决方案，但这使得模拟成本变得非常高。”

为了使CFD成为氢气动力系统的有效设计工具，模拟结果的迭代时间必须在一个合理范围。通过优化网格策略，该团队将计算时间减少了50%以上，同时保持解决方案的准确性。该团队还在探索创新的方法，以进一步提高氢燃烧模拟的计算效率，从而将计算时间再减少80%。

“我们开发的以分析为主导的设计流程将加速采用清洁、高效的氢气的动力系统，并加速向清洁、低碳能源系统的过渡，”沙特Aramco Americas公司仿真团队负责人Pei Yuanjiang博士说。

这个跨学科团队在之前的一些项目中就一直合作，致力于开发更清洁的动力系统，并因此在2019年、2020年和2021年获得了HPCwire奖。他们之前的研究工作集中在HPC和人工智能的结合上，以加速高效发动机的设计，使用超级计算来解决燃油喷射器中微米级的制造缺陷，并实现更好的燃料空气混合过程预测，以及应用HPC支持的高保真模拟来评估发动机冷启动，以减少排放。

Convergent Science的股东兼副总裁Kelly Senecal博士表示：“与Aramco Americas公司和阿贡国家实验室的杰出工程师合作，使我们朝着更可持续的未来取得了重大进展。“我们非常荣幸能够获得HPCwire奖，我期待着继续我们富有成效的合作伙伴关系。”