Zmniejszanie zagrożeń związanych ze spalaniem
W konstruowaniu silników spalinowych przypuszczalnie najtrudniejsza jest jednoczesna optymalizacja sprawności, stabilności i emisji zanieczyszczeń. Dzięki wstępnemu mieszaniu paliwa i powietrza w proporcjach dających ubogą mieszankę przed podaniem jej do spalania uzyskano duże ograniczenia w emisji zanieczyszczeń, zwłaszcza tlenków azotu (NOx). Niestety, w tym rozwiązaniu, powszechnie znanym w dziedzinie budowania silników spalinowych, łatwo dochodzi do niestabilności płomienia. Dlatego wielkiego znaczenia w konstruowaniu silników turbospalinowych nabrało modelowanie i symulowanie numeryczne zawiłych sprzężeń w strumieniach oddziałujących na siebie chemicznie podczas spalania. Uczestnicy projektu MUSCLES z sukcesem zamodelowali związek między turbulentną mieszanką a reakcją chemiczną, obliczając statystyczne prawdopodobieństwo wszystkich stanów występujących w procesach spalania turbulentnego. Podejście przyjęte przez naukowców z Universität Karlsruhe w Niemczech polegało na obliczaniu funkcji gęstości prawdopodobieństwa najważniejszych parametrów. Należały do nich skala długości turbulencji, prędkości i udziały masowe poszczególnych składników w spalanej mieszance paliwowej, a ponadto odpowiednie skale czasowe reakcji chemicznych. Funkcje gęstości prawdopodobieństwa każdego parametru posłużyły do bezpośredniego rozwiązywania równań transportu w łącznej funkcji gęstości prawdopodobieństwa. Model spalania oparty na łącznej funkcji gęstości prawdopodobieństwa został rozszerzony o opis spalania bardzo rozrzedzonej mieszanki w warunkach przepływu turbulentnego. Metodę tę zastosowano w symulacji gaśnięcia płomienia wraz ze zubożeniem mieszanki do granicy palności, czyli gaśnięcia na skutek ubogiej mieszanki. Dalsze ograniczenie emisji zanieczyszczeń będzie wymagać jeszcze uboższych mieszanek paliwowo-powietrznych, a także nowych konstrukcji, w których zostanie maksymalnie wykorzystany potencjał tej techniki spalania. Przesunięcie granicy gaśnięcia na skutek ubogiej mieszanki umożliwiłoby osiągnięcie niższych temperatur, a w następstwie zmniejszenie emisji NOx. Początkowe obliczenia dostarczyły trafnej prognozy granicy gaśnięcia na skutek ubogiej mieszanki w danym systemie spalania i zarysowały perspektywę obniżenia kosztów testowania w programach prac rozwojowych nad komorami spalania.
