Recrear ondas de choque supersónicas en movimiento
Los motores suelen estar compuestos por un compresor, una cámara de combustión y una turbina. El aire fluye a través de estos componentes en este orden, lo que proporciona el oxígeno necesario para el proceso de combustión. «Se ha demostrado en los análisis que la sustitución de la cámara de combustión tradicional por una cámara de combustión con detonación rotativa podría aumentar considerablemente la eficiencia global de la máquina», explica el coordinador del proyecto ROTRANS, Lukas Inhestern, de la Universidad Purdue, en los Estados Unidos.
Potencial de las cámaras de combustión con detonación rotativa
El concepto básico de una cámara de combustión con detonación rotativa es que quema el combustible mediante una onda de detonación que se desplaza supersónicamente, lo que produce no sólo un aumento de la temperatura sino también de la presión. Sin embargo, los principales inconvenientes son los flujos de salida en el régimen supersónico y subsónico. Y lo que es más importante, las ondas de choque supersónicas, cuando la densidad o la temperatura del gas cambian de repente, pueden afectar significativamente al rendimiento del motor y crear inestabilidades. «La clave para liberar el potencial de los combustores con detonación rotativa para la generación de energía es diseñar una turbina que pueda funcionar eficazmente con un flujo de aire subsónico y supersónico», afirma Inhestern.
Recrear la formación de los choques supersónicos
El equipo del proyecto ROTRANS, coordinado por TU Berlín en Alemania y apoyado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie, buscaba comprender mejor la transición del flujo de paso subsónico al supersónico, con el fin de facilitar el diseño de motores de combustión con detonación rotativa más robustos y eficientes. En primer lugar, fue necesario derivar ecuaciones físicas para evaluar las pérdidas aerotérmicas durante este proceso. «Entonces, redujimos la complejidad del problema», añade Inhestern. «En lugar de utilizar simulaciones en 3D complejas, utilizamos simulaciones en 1D. Este método nos ayudó a identificar el mecanismo impulsor de este proceso». A partir de ahí, Inhestern pudo recrear las condiciones del flujo de aire supersónico de forma sencilla pero eficaz. «Utilizamos una fina película de agua para imitar el flujo supersónico», explica. «Esto se puede ver en casa, cuando el agua del grifo de la cocina cae en el fregadero, forma una fina película». Sin embargo, en lugar de un fregadero, Inhestern y su equipo construyeron una instalación con un plano de cristal de cuatro metros cuadrados. El agua se libera suavemente sobre la superficie, lo que crea una fina película de agua. Una serie de bombas y depósitos garantizan la circulación continua del agua. El siguiente paso fue diseñar un brazo accionado por poleas que se desplaza de un lado a otro de la sección de prueba. Al apenas romper la superficie, este movimiento recrea las ondas de choque supersónicas que Inhestern quería recrear.
Nuevas tecnologías para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero
Los experimentos realizados con esta instalación corroboraron lo que Inhestern y su equipo habían predicho en sus modelos simplificados de simulación. Esto sugiere que la capa de agua de ROTRANS podría ser una forma muy eficaz y eficiente de probar el flujo supersónico y evaluar la eficacia de los nuevos diseños de motores. «Comprender el comportamiento de las ondas de choque supersónicas ayudará a los diseñadores de turbinas y compresores supersónicos», afirma. «Los diseñadores de cualquier dispositivo fluodinámico pueden beneficiarse de la formulación de las pérdidas aerotérmicas». Esto, a su vez, podría fomentar el desarrollo de motores más eficientes y seguros. Para reducir nuestras emisiones de gases de efecto invernadero se necesitan nuevos métodos y tecnologías. Se trata de un ámbito clave en el que el equipo del proyecto ROTRANS puede aportar una valiosa contribución.
Palabras clave
ROTRANS, supersónico, subsónico, motores, ondas de choque, combustión, emisiones
