Strumenti computazionali guidano i motori aeronautici a idrogeno verso un futuro più verde
Il settore dell’aviazione è responsabile di oltre il 2 % delle emissioni globali di gas a effetto serra e, in assenza di interventi significativi, questo livello è destinato quasi a quadruplicare entro il 2050. Sebbene le innovazioni nel campo dell’aviazione elettrica siano in aumento, i limiti della densità energetica e dei costi delle batterie impediscono a tali tecnologie di raggiungere la velocità e la capacità di carico utile necessarie per i voli a lungo raggio. Le tecnologie di propulsione del futuro che sfruttano l’idrogeno hanno il potenziale per migliorare significativamente l’efficienza e le prestazioni delle tradizionali turbine degli aeromobili. A differenza dei motori convenzionali, che si basano su un processo di combustione a pressione costante, i motori PGC (Pressure Gain Combustion) creano un incremento di pressione all’interno della camera di combustione. Questa innovazione consente di sfruttare al meglio il carburante e di migliorare le prestazioni complessive.
Utilizzo dell’idrogeno come combustibile energetico
Il progetto FLOWCID, intrapreso con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA), si propone di sviluppare strumenti e metodi computazionali innovativi per affrontare le sfide principali delle turbine e delle camere di combustione a incremento di pressione a emissioni zero. «Volevamo occuparci di due sfide fluidodinamiche critiche che ostacolano i concetti di propulsione compatta: la separazione del flusso causata da gradienti di alta pressione e lo stallo, in cui il flusso d’aria non riesce a muoversi in modo fluido attraverso la turbina, interrompendo il funzionamento del motore», spiega il ricercatore MSCA Eusebio Valero. Per farlo, FLOWCID ha impiegato simulazioni numeriche avanzate, analisi matematica e convalida sperimentale. L’obiettivo era quello di comprendere e controllare la dinamica dei flussi in flussi interni ad alta velocità, come quelli che si trovano nei motori a idrogeno a incremento di pressione.
Risultati principali
Valero e Paniagua, dell’Università ospitante di Purdue, hanno compiuto importanti progressi nell’avanzamento di questa tecnologia. Uno dei principali risultati è stato il miglioramento dei modelli informatici che simulano il movimento dell’aria e dei gas attraverso flussi interni ad alta velocità. Affinando tali simulazioni, i ricercatori hanno potuto prevedere e comprendere meglio il modo in cui le turbolenze e le variazioni improvvise del flusso d’aria, note come urti, influiscono sulle prestazioni del motore. Ciò contribuisce a garantire che i motori siano progettati per gestire efficacemente le condizioni del mondo reale. Il progetto si è concentrato anche sulla gestione delle enormi quantità di dati prodotti dalle simulazioni. Utilizzando metodi innovativi, il team ha individuato i modelli chiave del comportamento del flusso d’aria, in particolare nelle aree in cui si verificano problemi come la separazione dei flussi. «I risultati ottenuti hanno fornito indicazioni fondamentali sulle cause di fondo delle inefficienze e hanno offerto idee per risolverle», sottolinea Valero. Un altro risultato fondamentale è stato lo studio dell’impatto di piccoli cambiamenti nella progettazione del motore o nelle condizioni operative sul flusso d’aria. Ciò ha permesso al team di sviluppare strategie per migliorare le prestazioni, come la messa a punto delle forme del motore o l’utilizzo di tecniche come l’iniezione di aria in punti specifici per mantenere il flusso costante ed efficiente.
Impatto sull’aviazione e non solo
Le innovazioni del progetto FLOWCID hanno implicazioni ambientali e socioeconomiche significative. Affinando gli strumenti di calcolo di alto livello e i solutori di stabilità, il progetto contribuisce all’analisi computazionale precisa dei futuri sistemi di propulsione, essenziali per creare un’aviazione a emissioni zero, ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e mitigare i cambiamenti climatici. E soprattutto i progressi del progetto nelle metodologie di simulazione e di controllo del flusso vanno oltre l’aviazione. Sulla scia del successo ottenuto, FLOWCID si propone di costruire una mappa di sensibilità completa delle caratteristiche fisiche del flusso che influenzano i comportamenti aerodinamici complessi e di integrare l’apprendimento automatico per individuare e ottimizzare nuove configurazioni aerodinamiche. «Siamo certi che il nostro impegno continuerà a migliorare il controllo del flusso e l’efficienza della progettazione, posizionando i motori termici avanzati a idrogeno come una valida alternativa ai motori aeronautici tradizionali», conclude Valero.
Parole chiave
FLOWCID, motori a incremento di pressione, aviazione, idrogeno, emissioni zero, separazione del flusso, stallo
