Nowe narzędzia do modelowania w zakresie spalania i paliw
Wtryskiwacz paliwa ma decydujące znaczenie w projektowaniu niskoemisyjnych komór spalania. Zrozumienie i kontrolowanie złożonej fizyki atomizacji paliwa niesie ze sobą ogromny potencjał minimalizacji szkodliwych emisji. Do tej pory symulacje opierały się na uproszczonych definicjach rozpylania paliwa. Dodatkowo obecne modele w zakresie formowania się sadzy nie są dostatecznie dokładne, aby wspomagać projektowanie nowych przyjaznych dla środowiska komór spalania. Te dwa obszary modelowania są ze sobą ściśle związane, jako że charakterystyka rozpylania wyznacza warunki graniczne dla modelowania tworzenia się sadzy. Projekt FIRST (Fuel injector research for sustainable transport) odpowiada za skokową zmianę w szczegółowości i dokładności prognozowania rozdrobnienia rozpylania i emisji sadzy dzięki zastosowaniu zaawansowanych fizycznych technik modelowania, pomiarów diagnostycznych i pochodnych wyszukanych współzależności. Rozwój narzędzia liczbowego do wirtualnej iniekcji i technik prognozowania formowania się sadzy wymaga obszernych baz danych walidacyjnych zawierających rezultaty pomiarów ilościowych. Przeprowadzono szczegółowe pomiary eksperymentalne atomizacji i rozpylania przy użyciu zaawansowanych metod diagnostycznych w szerokim zakresie geometrii, aby dokonać walidacji fizycznych i fenomenologicznych podejść do modelowania. W odniesieniu do atomizacji, naukowcy zbadali trzy różne poziomy złożoności eksperymentalnej: konfiguracje fundamentalne, konfiguracje idealnego wtryskiwacza i konfiguracje wtryskiwacza przemysłowego. W odniesieniu do pomiarów sadzy, przetestowano szereg nowoczesnych technik pomiarowych, które następnie zastosowano, aby dostarczyć zestawy obszernych danych do walidacji modelu formowania się sadzy. Prace nad modelami liczbowymi procesu atomizacji obejmowały małoobszarowe bezpośrednie symulacje liczbowe równań Naviera-Stokesa, kalkulacje w zakresie obliczeniowej dynamiki płynów geometrii kabiny spalania i modeli fenomenologicznych. Nowo opracowane modele rozdrobnienia rozpylania i emisji sadzy zostały włączone do narzędzi konstrukcyjnych partnerów projektu. Narzędzia te zastosowano następnie do prognozowania rozpylania i emisji przez nowoczesne, niskoemisyjne systemy spalania. Poprzez ulepszenie narzędzi do pomiarów i modelowania zarówno rozpylania paliwa, jak i tworzenia się sadzy, wyniki projektu FIRST przyspieszą rozwój opłacalnych, czystszych i bardziej niezawodnych komponentów silników. Nowe osiągnięcia pomogą przemysłowi lotniczemu przybliżyć się o krok ku realizacji celów Rady Doradczej ds. Badań nad Aeronautyką w Europie (ACARE) w zakresie ochrony środowiska.
Słowa kluczowe
Spalanie, paliwa, silniki, lotnictwo, transport, wtryskiwacz paliwa, sadza