Zwiększenie efektywności energetycznej statków powietrznych dzięki lepszej kontroli przepływu
Emisje lotnicze są uznawane za jedno z najszybciej rosnących źródeł gazów cieplarnianych. Ze względu na to, że liczba pasażerów stale rośnie, kluczem do osiągnięcia neutralności klimatycznej mogą być innowacyjne rozwiązania, które umożliwią projektowanie bardziej ekologicznych samolotów. Jednym z takich rozwiązań jest optymalizacja osiągów aerodynamicznych, która daje możliwość znacznego obniżenia zużycia energii przez samoloty, a jednocześnie zapewnia poprawę ich stabilności i obniża poziom wytwarzanego hałasu. Obecnie najważniejszym obszarem badań poświęconym temu zagadnieniu jest fluid (kontrola przepływu). W ramach finansowanego ze środków UE projektu PERSEUS powstała metodyka optymalizacji projektu urządzenia kontrolującego przepływ powietrza, które umożliwia ograniczenie zjawiska separacji przepływu. Występuje ono, gdy strumień powietrza „oddziela się” od poszycia samolotu, co negatywnie wpływa na jego osiągi. „Istnieje wiele sytuacji, w których występuje mechanizm separacji przepływu”, mówi Nicolas Mazellier, profesor mechaniki płynów na Uniwersytecie w Orleanie, uczelni będącej gospodarzem projektu. „Separacja przepływu występuje podczas manewrów, w tym podczas startów i lądowań. Dochodzi do niej także, gdy przepływ zakłócają różne przeszkody, na przykład na styku skrzydła i lotnictwo (gondoli)”. Separacja powoduje powstawanie obszarów turbulencji wywołujących drgania i hałas, a także zwiększa emisje oraz może prowadzić do utraty stabilności. W skrajnych przypadkach może to wpłynąć na zdolność pilota do kontrolowania samolotu: „Jedną z najbardziej dramatycznych konsekwencji separacji o dużej skali jest zjawisko przeciągnięcia”, zauważa Mazellier.
Wyższa efektywność dzięki aktywnemu systemowi sterowania
Chcąc rozwiązań ten problem, naukowcy skupieni wokół projektu PERSEUS postanowili przyjąć nowatorskie podejście. Za punkt wyjścia do opracowania nowej metodologii obrali zakłócenia pojawiające się na styku skrzydła i gondoli, a dzięki wykorzystaniu równań mechaniki płynów udało im się opracować projekt zoptymalizowanego siłownika przepływowego do kontroli przepływu. Tego rodzaju siłowniki są stosowane w samolotach do regulacji przepływu powietrza na wypadek wielu różnych sytuacji. Działanie siłowników wykorzystujących pulsujące strumienie płynów, będących owocem prac zespołu Mazelliera, opiera się na wytwarzaniu szybkich strumieni powietrza, co zmniejsza efekt separacji przepływu, a przy tym powoduje minimalne zużycie energii. „Jest to tak zwana aktywna kontrola, która umożliwia regulację przepływu wyłącznie w sytuacjach, gdy jest to konieczne do osiągnięcia wysokiej efektywności przy możliwie najniższym zużyciu energii”, wyjaśnia Mazellier. Jak dodaje, stanowi to nie lada wyzwanie – dotychczas stosowane systemy są wprawdzie skuteczne pod względem zwiększania aerodynamiki, ale kosztem zwiększonej masy samolotu i trudności w manewrowaniu.
Nawet 20 % oszczędności energii
Siłowniki wykorzystujące pulsujące strumienie płynu, które zostały użyte w projekcie PERSEUS, dają szansę na pokonanie niektórych z tych barier. Łącząc specjalistyczną wiedzę z dziedzin, takich jak mikromechanika, mikrofluidyka i symulacje numeryczne wysokiej wierności, zespół był w stanie wykonać jedno z pierwszych obliczeń numerycznych wysokiej wierności dla wewnętrznego przepływu siłownika. „Dzięki podjęciu się tego ważnego wyzwania naukowego dowiedzieliśmy się wiele o fizyce procesu przełączania, który jest źródłem bistabilnego charakteru opracowanych przez nas siłowników pulsacyjnych”, zauważa Mazellier. W celu optymalizacji wewnętrznej konstrukcji siłowników uczeni połączyli metody modelowania numerycznego z testami prowadzonymi w tunelu aerodynamicznym. Dzięki temu, że nie zawierają one części mechanicznych, są wyjątkowo niezawodne. Testy potwierdziły wysoką skuteczność systemu kontroli oraz niskie koszty operacyjne, przy czym ustalono, że potencjalna oszczędność energii netto w krytycznych fazach bliskich przeciągnięciu może wynieść nawet 20 %.
Nieograniczone możliwości
Wprowadzenie tego innowacyjnego rozwiązania na rynek będzie wymagało dalszych badań, które pozwolą na zwiększenie skali narzędzi opracowanych w laboratorium i przygotowanie ich do wdrożenia na skalę przemysłową. Metoda opracowana przez zespół projektu PERSEUS niewątpliwie okazała się użyteczna w sektorze lotniczym, ale wiele wskazuje na to, że może mieć zastosowanie także w innych branżach. Zastosowane w projekcie techniki optymalizacji mogą pomóc w ograniczeniu zużycia energii w innych obszarach, między innymi w systemach ogrzewania i chłodzenia.
Słowa kluczowe
PERSEUS, aerodynamika, kontrola przepływu, separacja przepływu, siłownik przepływowy, siłownik wykorzystujący pulsujące strumienie płynu, emisje lotnicze, turbulencje
