Las herramientas informáticas impulsan los motores de hidrógeno de las aeronaves hacia un futuro más ecológico
El sector de la aviación representa más del 2 % de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero y, sin intervenciones significativas, se prevé que este nivel casi se cuadruplique de aquí a 2050. Si bien las innovaciones en la aviación eléctrica van en aumento, las limitaciones en la densidad de energía de las baterías y los costes impiden que estas tecnologías alcancen la velocidad y las capacidades de carga útil necesarias para los vuelos de larga distancia. Las tecnologías de propulsión del futuro que aprovechen el hidrógeno tienen el potencial de mejorar bastante la eficiencia y el rendimiento de las turbinas tradicionales de las aeronaves. A diferencia de los motores convencionales, que se basan en un proceso de combustión a presión constante, los motores de combustión con ganancia de presión (PGC, por sus siglas en inglés) basados en hidrógeno crean un aumento de presión dentro de la cámara de combustión. Esta innovación permite un mayor aprovechamiento del combustible y mejora el rendimiento general.
Utilizar el hidrógeno como combustible energético
Respaldado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA), el equipo del proyecto FLOWCID propuso desarrollar herramientas y métodos computacionales innovadores para abordar los retos clave de los combustores y las turbinas con ganancia de presión con cero emisiones. «Queríamos resolver dos problemas críticos de la dinámica de fluidos que dificultan los conceptos de propulsión compacta: la separación de flujos causada por los gradientes de alta presión y la falta de arranque, cuando el flujo de aire no se desplaza suavemente por la turbina, lo que interrumpe el funcionamiento del motor», explica Eusebio Valero, beneficiario de una beca de investigación MSCA. Para abordar estos retos, el equipo de FLOWCID empleó simulaciones numéricas avanzadas, análisis matemáticos y validación experimental. El objetivo era comprender y controlar la dinámica del flujo en flujos internos de alta velocidad, como los que se encuentran en los motores con ganancia de presión basados en hidrógeno.
Logros clave
Valero y el anfitrión en Purdue, Paniagua, lograron progresos importantes en el avance de esta tecnología. Uno de los principales logros fue mejorar los modelos informáticos que simulan cómo se mueven el aire y los gases a través de los flujos internos de alta velocidad. Al perfeccionar estas simulaciones, los investigadores predijeron y comprendieron mejor cómo afectan al rendimiento del motor las turbulencias y los cambios bruscos en el flujo de aire, conocidos como choques. Esto ayuda a garantizar que los motores estén diseñados para afrontar las condiciones del mundo real de manera eficaz. En el proyecto también se centraron en la gestión de las enormes cantidades de datos producidos por estas simulaciones. Mediante métodos innovadores, el equipo identificó patrones clave en el comportamiento del flujo de aire, sobre todo en torno a las zonas donde se producen problemas como la separación de flujos. «Estas conclusiones aportaron una visión crítica de las causas profundas de las ineficiencias y nos dieron ideas para solucionarlas», destaca Valero. Otro logro clave fue el estudio de cómo afectan al flujo de aire los cambios pequeños en el diseño del motor o en las condiciones de funcionamiento. Esto permitió al equipo desarrollar las estrategias para mejorar el rendimiento, como el ajuste fino de las formas del motor o el uso de técnicas como la inyección de aire en puntos específicos para mantener el flujo constante y eficiente.
Impacto más allá de la aviación
Las innovaciones del proyecto FLOWCID tienen importantes repercusiones medioambientales y socioeconómicas. Al perfeccionar las herramientas computacionales de alto orden y los solucionadores de estabilidad, en el proyecto se contribuye al análisis computacional preciso de los futuros sistemas de propulsión, esenciales para hacer realidad una aviación sin emisiones, reducir la dependencia de los combustibles fósiles y mitigar el cambio climático. Es importante destacar que los avances de los proyectos en simulación y metodologías de control de flujos van más allá de la aviación. Basándose en su éxito, el equipo de FLOWCID pretende construir un mapa de sensibilidad exhaustivo de las características físicas del flujo que influyen en los comportamientos aerodinámicos complejos e integrar el aprendizaje automático para detectar y optimizar las configuraciones aerodinámicas novedosas. «Confiamos en que nuestros esfuerzos continuos mejorarán aún más el control del flujo y la eficiencia del diseño, lo que posicionará a los motores térmicos avanzados basados en hidrógeno como una alternativa viable a los motores de aviación tradicionales», concluye Valero.
Palabras clave
FLOWCID, motores con ganancia de presión, aviación, hidrógeno, cero emisiones, separación de flujos, falta de arranque
