Zmniejszanie emisji zanieczyszczeń z turbin gazowych
Głównym wyzwaniem dla inżynierów turbin gazowych było opracowanie układów spalania paliw płynnych spełniających surowe standardy emisji bez poświęcenia sprawności działania. Ostatnie postępy doprowadziły do powstania układów spalania charakteryzujących się niskim poziomem emisji niechcianych związków chemicznych, m.in. niższym poziomem emisji tlenków azotu (NOx), ale wszystkie były podatne na niszczące nierównomierne spalanie. Nad zagadnieniem pracowano w ramach projektu MUSCLES poprzez opracowanie gruntownych podstaw w zakresie modelowania molekularnego samoczynnie wzbudzanych oscylacji wewnątrz komory spalania. Źródłem tak intensywnych fluktuacji ciśnienia, mogących doprowadzić nawet do uszkodzeń strukturalnych, jest zwiększony transfer ciepła, będący również źródłem fal dźwiękowych. Warunki wlotowe mieszanki paliwa i powietrza są zaburzane przez fale dźwiękowe, co następnie pogarsza nierównomierne spalanie. Głównym celem partnerów projektu z Uniwersytetu w Rouen było zbadania bezpośredniego wpływu fluktuacji ciśnienia na odparowywanie wlatującej strugi rozpylonego paliwa. W tym celu zastosowano nieliniowe podejście teoretyczne, w którym nieliniowość przyjęła postać nasycenia w odpowiedzi płomienia. Zjawisko to występuje zasadniczo wtedy, gdy fluktuacje ciśnienia stają się na tyle duże, że przepływ paliwa/powietrza ulega odwróceniu, a uwalnianie ciepła nadal się zwiększa. Bezpośrednie symulacje numeryczne (DNS, Direct Numerical Simulations) fal pod ciśnieniem wstrzykiwanych w kierunku skupiska kropelek zostały najpierw przeprowadzone dla przepływu warstwowego, a następnie do modelu numerycznego włączono jednorodną turbulencję. Wyniki wraz z nowymi modelami opartymi na obliczeniach uśredniania Reynoldsa dla równań Naviera-Stokesa (RANS, Reynolds-Averaged Navier-Stokes) lub symulacjach wielkowirowych (LES, Large Eddy Simulation) zostały sprawdzone względem danych doświadczalnych z laboratorium EM2C. Doświadczenia zostały przeprowadzone za pomocą wysoce kontrolowanego systemu, w którym fale akustyczne wytworzone przez element wzbudzający umieszczony na dnie spalarki paliwa oddziaływały z płomieniem w postaci turbulentnej, rozpylonej strugi. Ostateczne modele zostaną połączone w pełny model, za pomocą którego będzie można przewidywać częstotliwość i, co ważniejsze, amplitudę fluktuacji ciśnienia. W niedalekiej przyszłości można będzie przebadać i dostosować budowę układów paliwa w taki sposób, aby charakteryzowały się one nie tylko niskim poziomem emisji, ale również równomiernym spalaniem.
