Narzędzia obliczeniowe wspomagają rozwój ekologicznych wodorowych silników lotniczych przyszłości
Sektor lotniczy odpowiada za ponad 2 % globalnej emisji gazów cieplarnianych, a zdaniem ekspertów brak znaczących interwencji doprowadzi do nawet czterokrotnego wzrostu tej wartości do 2050 roku. Choć jesteśmy świadkami stałego rozwoju technologii elektrycznych w lotnictwie, ograniczenia dotyczące gęstości energii zgromadzonej w akumulatorach oraz wysoki koszt rozwiązań nie pozwalają na osiągnięcie prędkości i ładowności wymaganych do prowadzenia lotów długodystansowych. Technologie napędowe przyszłości oparte na wodorze mogą znacząco poprawić osiągi konwencjonalnych turbin lotniczych. W przeciwieństwie do tradycyjnych silników, które opierają się na procesie spalania pod stałym ciśnieniem, silniki spalające wodór mogą wytwarzać ciśnienie w komorze spalania. To innowacyjne rozwiązanie umożliwia sprawniejsze spalanie paliwa i zapewnia lepsze osiągi.
Zastosowanie wodoru jako paliwa energetycznego
Zespół projektu FLOWCID, realizowanego dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”, zaproponował opracowanie innowacyjnych narzędzi i metod obliczeniowych w celu sprostania kluczowym wyzwaniom związanym z bezemisyjnymi komorami spalania i turbinami o zwiększonym ciśnieniu. „Chcieliśmy zmierzyć się z dwoma krytycznymi wyzwaniami związanymi z dynamiką płynów, które utrudniają opracowywanie koncepcji kompaktowych układów napędowych - separacją przepływu spowodowaną gradientami wysokiego ciśnienia i przepływem turbulentnym, w wyniku którego powietrze nie przepływa płynnie przez turbinę, zakłócając pracę silnika”, wyjaśnia Eusebio Valero, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie”. Aby sprostać tym wyzwaniom, zespół projektu FLOWCID wykorzystał zaawansowane symulacje numeryczne, analizę matematyczną i weryfikację doświadczalną. Celem było zbadanie i kontrolowanie dynamiki szybkich przepływów wewnętrznych, takich jak te występujące w silnikach ciśnieniowych spalających wodór.
Kluczowe osiągnięcia projektu
Dzięki współpracy badacza z Guillermo Paniaguą, badaczem z ramienia Purdue, udało się poczynić istotne postępy w rozwoju tej technologii. Jednym z głównych osiągnięć było ulepszenie modeli komputerowych symulujących szybkie przepływy wewnętrzne powietrza i gazów. Dzięki udoskonaleniu tych symulacji naukowcy mogli lepiej przewidzieć i zrozumieć, w jaki sposób turbulencje i nagłe zmiany w przepływie powietrza wpływają na osiągi silnika. Dzięki temu mogą zapewnić, że silniki będą projektowane z myślą o skutecznym działaniu w rzeczywistych warunkach pracy. Zespół koncentrował się również na obróbce dużych zbiorów danych gromadzonych w ramach symulacji. Korzystając z innowacyjnych metod, zespół wskazał charakterystyczne sposoby przepływu powietrza, zwłaszcza w obszarach, w których występują problemy, w tym separacja przepływu. „Dzięki tym ustaleniom wyciągnęliśmy kluczowe wnioski dotyczące przyczyn braku efektywności i opracowaliśmy propozycje ich naprawy”, zaznacza Valero. Kolejnym kluczowym osiągnięciem było zbadanie wpływu niewielkich zmian w konstrukcji silnika lub warunków pracy na przepływ powietrza. Dzięki temu zespół opracował strategie poprawy osiągów, oparte na precyzyjnym dopasowaniu kształtów silnika lub zastosowaniu technik, takich jak wtryskiwanie powietrza w określonych punktach, aby utrzymać stały i efektywny przepływ powietrza.
Nie tylko lotnictwo
Innowacje opracowane w ramach projektu FLOWCID mają istotne znaczenie z punktu widzenia ochrony środowiska, a także wielu zagadnień społeczno-gospodarczych. Dzięki dopracowaniu narzędzi obliczeniowych wysokiego rzędu i solwerów stabilności, projekt umożliwił realizację precyzyjnych analiz obliczeniowych przyszłych układów napędowych, niezbędnych do realizacji bezemisyjnego lotnictwa, co zmniejszy zależność od paliw kopalnych i ograniczy skutki zmiany klimatu. Co ważne, rozwój symulacji i metod sterowania przepływem wpłynie na wiele dziedzin, nie tylko na lotnictwo. Zespół projektu FLOWCID ma obecnie na celu opracowanie kompleksowej mapy wrażliwości fizycznych cech przepływu, które wpływają na złożone zachowania aerodynamiczne, używając technik uczenia maszynowego w celu wykrywania i optymalizacji nowych konfiguracji aerodynamicznych. „Jesteśmy przekonani, że dalsze wysiłki zaowocują jeszcze lepszymi technikami sterowania przepływem i wyższą sprawnością konstrukcji, dzięki czemu zaawansowane silniki termiczne spalające wodór staną się realną alternatywą dla konwencjonalnych silników lotniczych”, podsumowuje Valero.
Słowa kluczowe
FLOWCID, silniki o zwiększonym ciśnieniu spalania, lotnictwo, wodór, zeroemisyjne, separacja przepływu, załamanie przepływu
