Narzędzia numeryczne zwiększają opłacalność projektowania nowych układów wtryskowych
Nowoczesne, sterowane elektronicznie układy wtryskowe, które działają przy różnych wielkościach ciśnienia i składach paliwa, stanowią kluczowe narzędzie ograniczania zanieczyszczeń emitowanych w trakcie spalania w pojazdach na paliwo płynne i systemach wytwarzania energii elektrycznej. „Wspólnym mianownikiem wszystkich dostępnych obecnie konstrukcji jest tworzenie przepływów wielofazowych, które kontrolują atomizację paliwa i uzyskiwane w jej wyniku właściwości, a także mieszanie wtryskiwanych aerozoli paliwa”, opowiada Manolis Gavaises, koordynator naukowy unijnego projektu HAoS i profesor koordynującej te inicjatywę uczelni City, University of London. Badania w ramach projektu przeprowadzono dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Eksperymenty z wykorzystaniem bezpośrednich symulacji numerycznych
Partnerzy projektu pracowali nad przygotowaniem i zweryfikowaniem na drodze eksperymentów modeli obliczeniowej dynamiki płynów. W tym celu analizowali procesy przepływu w układach wtryskowych pod kątem różnych koncepcji spalania. Badania obejmowały konwencjonalne silniki benzynowe i wysokoprężne, turbiny gazowe, silniki rakietowe i palniki paliwowe służące do generowania energii elektrycznej. Partnerzy koncentrowali się w swoich badaniach przede wszystkim na zjawiskach powiązanych z przepływem, takich jak wrzenie pęcherzyków w czasie kawitacji, błyskawiczne parowanie i zjawiska dotyczące emulsji wody, a także inne procesy rozpadu ukształtowanych struktur płynnych. Głównym celem naukowców było zrozumienie tych procesów i przedstawienie ich w ramach modelu obliczeniowej dynamiki płynów i symulacji metodą dużych wirów. „W tym podejściu wspomniane nierozwiązane problemy w postaci procesów skali podsiatkowej wymagają utworzenia dla nich modeli, a symulacje numeryczne służą do zrozumienia ich efektu w skali inżynierskiej i przy racjonalnym harmonogramie obliczeniowym”, wyjaśnia Gavaises. Dzięki niestandardowym eksperymentom i bezpośrednim symulacjom numerycznym naukowcy opracowali wartościowe modele zamknięcia w skali podsiatkowej. Modele te zastosowano następnie w różnych kodach symulacji metodą dużych wirów. Członkowie zespołu badali konkretne zjawiska, w tym wpływ rozpadu pęcherzyków kawitacyjnych na podstawową atomizację oleju napędowego i benzyny, powstawanie pęcherzyków/oparów w dyszach z ciekłym tlenem i właściwości mieszanki powietrza/oleju opałowego w zakresie atomizacji w palnikach paliwowych, a także wpływ, jaki mają na rozpad aerodynamika kropli cieczy, emulsja wody, turbulencje przepływu i oddziaływania kropli na powierzchnie.
Zastosowania przemysłowe
Zespół HAoS zweryfikował opracowane narzędzia symulacyjne przy użyciu nowych danych porównawczych uzyskanych w trakcie badań. Takich narzędzi nie oferują najnowocześniejsze z dostępnych dziś modeli. W testach weryfikacyjnych wykorzystano układy wtryskowe dla benzyny i oleju napędowego, rozpylacze w formie stożka stosowane w palnikach paliwowych i układy wtryskowe do cieczy kriogenicznych przeznaczone do silników rakietowych. „Te porównania pokazały przydatność i wartość dodaną opracowanych przez nas modeli dotyczących układów wtryskowych dla silników spalinowych, turbin gazowych, palników paliwowych, a nawet silników rakietowych”, podsumowuje Gavaises. „W efekcie modele te przyniosą korzyści przemysłowi i firmom produkującym układy wtryskowe i systemy spalania, które będą mogły wykorzystywać je jako narzędzia projektowe do pracy nad nowymi metodami spalania i innowacyjnymi układami wtryskowymi”. Oprócz tego wyniki projektu HAoS posłużą szerszej społeczności skupionej wokół mechaniki płynów, ponieważ poszerzają naszą wiedzę o fizycznym aspekcie relacji między przepływem wielofazowym w dyszy a atomizacją. Ważne jest także to, że projekt pozwolił zdobyć doświadczenie 15 początkującym naukowcom, pomagając w ten sposób w kształceniu nowego pokolenia ekspertów w dziedzinie układów wtryskowych.
Słowa kluczowe
HAoS, wtrysk paliwa, atomizacja, układy wtryskowe, produkcja energii elektrycznej, urządzenia wtrysku paliwa, transport oparty na paliwie płynnym, skala podsiatkowa, obliczeniowa dynamika płynów, symulacja metodą dużych wirów
