Ricreare onde d’urto supersoniche in movimento
I motori sono tipicamente composti da un compressore, una camera di combustione e una turbina. L’aria passa attraverso questi componenti in quest’ordine, fornendo l’ossigeno necessario per il processo di combustione. «L’analisi ha dimostrato che la sostituzione della camera di combustione tradizionale con un combustore a detonazione rotante potrebbe aumentare notevolmente l’efficienza complessiva della macchina», spiega Lukas Inhestern, coordinatore del progetto ROTRANS, della Purdue University negli Stati Uniti.
Potenziale dei combustori a detonazione rotante
Il concetto di base di un combustore a detonazione rotante è che brucia il combustibile attraverso un’onda di detonazione che viaggia supersonicamente, producendo non solo un aumento di temperatura ma anche di pressione. Gli svantaggi principali, tuttavia, riguardano i flussi in uscita nel regime supersonico e subsonico. Soprattutto, le onde d’urto supersoniche - quando la densità o la temperatura del gas cambiano improvvisamente - possono influire significativamente sulle prestazioni del motore e creare instabilità. «Il fattore chiave per sbloccare il potenziale dei combustori a detonazione rotante per la generazione di energia è progettare una turbina che possa funzionare efficacemente con afflussi d’aria subsonici e supersonici», spiega Inhestern.
Ricreare la formazione di urti supersonici
Il progetto ROTRANS, coordinato dalla Università tecnica di Berlino in Germania e sostenuto dal programma azioni Marie Skłodowska-Curie, ha cercato di comprendere meglio la transizione dal flusso subsonico a quello supersonico, per facilitare la progettazione di motori a combustione rotante più robusti ed efficienti. In primo luogo, è stato necessario ricavare equazioni fisiche per valutare le perdite aerotermiche durante questo processo. «Poi abbiamo ridotto la complessità del problema», aggiunge Inhestern. «Invece di utilizzare complesse simulazioni 3D, abbiamo utilizzato simulazioni 1D. Questo approccio ci ha aiutato a identificare il meccanismo trainante di questo processo». Inhestern è riuscito così a ricreare le condizioni di un flusso d’aria supersonico in modo semplice ma efficace. «Abbiamo usato un sottile film d’acqua per imitare il flusso supersonico», spiega l’esperto. «Lo si può vedere a casa: quando l’acqua del rubinetto della cucina colpisce il lavandino, forma una sottile pellicola». Invece di un lavello da cucina, Inhestern e il suo team hanno costruito una struttura con un piano di vetro di quattro metri quadrati. L’acqua viene rilasciata delicatamente sulla superficie, creando una sottile pellicola d’acqua. Una serie di pompe e serbatoi assicura la circolazione continua dell’acqua. Il passo successivo è stato quello di progettare un braccio azionato da una puleggia che si sposta da un lato all’altro della sezione di prova. Rompendo appena la superficie, questo movimento ricrea le onde d’urto supersoniche che Inhestern voleva ricreare.
Nuove tecnologie per ridurre le emissioni di gas serra
Gli esperimenti condotti con questa struttura hanno confermato quanto Inhestern e il suo team avevano previsto nei loro modelli di simulazione semplificati. Ciò suggerisce che la tavola d’acqua di ROTRANS potrebbe essere un modo molto efficace ed efficiente per testare il flusso supersonico e valutare l’efficacia di nuovi progetti di motori. «Comprendere il comportamento delle onde d’urto supersoniche aiuterà i progettisti di turbine e compressori supersonici», ha dichiarato. «I progettisti di qualsiasi dispositivo fluidodinamico possono trarre vantaggio dalla formulazione delle perdite aerotermiche». Ciò potrebbe a sua volta incoraggiare lo sviluppo di motori più efficienti e sicuri. Per ridurre le nostre emissioni di gas serra, sono necessari nuovi approcci e tecnologie. Si tratta di un’area chiave in cui il progetto ROTRANS può dare un contributo prezioso.
Parole chiave
ROTRANS, supersonico, subsonico, motori, onde d’urto, combustione, emissioni
