Strugi gazu w silniku odrzutowym widoczne w świetle lasera Wprowadzenie wiązki laserowej w pary mieszanki paliwowej umożliwiło badaczom po raz pierwszy pomiar warunków panujących w komorze spalania turbiny gazowej jednocześnie we wszystkich trzech wymiarach. Technologie przemysłowe © Media_works, Shutterstock Turbiny gazowe to najczęściej spotykane układy pozwalające uzyskiwać energię mechaniczną z paliwa. Spotyka się je wszędzie – od elektrowni po silniki odrzutowe. Typowy silnik odrzutowy zawiera 16 komór spalania, z których każda dostarcza kilka megawatów mocy, czyli przeszło 1 000 razy więcej niż zwykły gazowy podgrzewacz wody montowany w domach. Dlatego, jak podkreśla koordynator projektu 3DFlameGT Yannis Hardalupas, zaprojektowanie takiego silnika wymaga niebywałej precyzji: „Mowa tu o bardzo dużej ilości ciepła wytwarzanej w małej objętości komory spalania. Jeśli podczas projektowania dojdzie do błędu, komora może ulec stopieniu”. O tym, czy w komorze spalania powstanie płomień, decyduje w pewnym stopniu utworzenie skutecznej mieszanki paliwowo-powietrznej. Właściwość tę mierzy się wielkością skalarną, szybkością rozpraszania strumienia płynu. „Jeśli wielkość ta przyjmuje bardzo dużą wartość, oznacza to, że dochodzi do szybkiego mieszania i równie szybkiej reakcji, ale jeśli będzie zbyt duża, reakcji nie da się podtrzymać i płomień wygaśnie”, wyjaśnia Hardalupas. „Staramy się zrozumieć, w jaki sposób zoptymalizować ilości składników mieszanki w komorze spalania tak, aby ustabilizować płomień”. Aby określić wartość szybkości rozpraszania, Hardalupas i jego zespół pracujący na uniwersytecie Imperial College London przygotowali macierz czterech laserów, które oświetlały mieszankę paliwowo-powietrzną w komorze spalania równoległymi płaszczyznami świetlnymi, wywołując fluorescencję paliwa. Te fluorescencyjne wzory zostały nagrane i przetworzone cyfrowo tak, aby odzyskać trójwymiarową strukturę rozkładu paliwa i na tej podstawie ustalić szybkość rozpraszania. To pierwszy przypadek jednoczesnego pomiaru szybkości rozpraszania w trzech wymiarach w czasie rzeczywistym. Nowe spojrzenie na fizykę tego zjawiska pozwoli poprawić założenia stosowane w modelach obliczeniowych stosowanych do projektowania komór spalania. Informacje te zostaną wykorzystane nie tylko podczas projektowania przyszłych turbin, ale także do optymalizacji już funkcjonujących. „Komory spalania projektuje się w znacznym stopniu na wpół empirycznie. Przed uzyskaniem odpowiedniego rezultatu trzeba wykonać liczne testy”, mówi Hardalupas. Ponieważ godzina testów silnika odrzutowego kosztuje ponad 10 000 euro, a do ukończenia nowego projektu silnika potrzeba tysięcy godzin testów, zmniejszenie liczby testów będzie wiązać się ze znacznymi oszczędnościami. Projekt był wspierany przez UE poprzez program działań „Maria Skłodowska-Curie”. Hardalupas zauważa: „Stypendium przyznane Irfanowi Mulli było niezwykle pomocne, ponieważ prowadzenie tego typu badań wymaga udziału osób z ogromnym doświadczeniem”. Mulla w tym czasie przyjął posadę w cieszącym się dużym uznaniem Indyjskim Instytucie Technologii w Madrasie. Przyszłe badania pozwolą ocenić, w jaki sposób kontrolować szybkość rozpraszania wewnątrz komory spalania dla różnych paliw. Jest to palący problem, ponieważ światowy rynek paliw zmienia się w kierunku zastosowania paliw syntetycznych, biopaliw i wodoru. Hardalupas mówi: „Określenie sposobu zmian szybkości rozpraszania w komorze spalania, do której wprowadzono takie paliwa stanowi niemałe wyzwanie, z którym trzeba się zmierzyć, jeśli chcemy zacząć korzystać z turbin o zerowej emisji dwutlenku węgla. Wodór spala się szybko i jeśli popełni się tu jakiś błąd, bardzo łatwo może dojść do uszkodzenia ścian komory spalania”. Słowa kluczowe 3DFlameGT, benzyna, turbina, laser, paliwo, komora spalania, skalar, rozpraszanie, fluorescencja
