Odtwarzanie naddźwiękowych fal uderzeniowych w ruchu
Silniki są zazwyczaj zbudowane ze sprężarki, komory spalania i turbiny. Powietrze przepływa kolejno przez poszczególne elementy konstrukcji, dostarczając tlen wymagany do skutecznego spalania. „Przeprowadzone analizy pozwoliły na stwierdzenie, że zastąpienie tradycyjnej komory spalania jej obrotowym detonacyjnym odpowiednikiem może znacząco zwiększyć ogólną sprawność konstrukcji”, wyjaśnia koordynator projektu ROTRANS Lukas Inhestern z Purdue University w Stanach Zjednoczonych.
Możliwości obrotowych detonacyjnych komór spalania
Podstawowa koncepcja obrotowej detonacyjnej komory spalania zakłada spalanie paliwa przy pomocy naddźwiękowej fali detonacyjnej, która zapewnia nie tylko wzrost temperatury, ale także ciśnienia. Rozwiązanie to ma jednak szereg wad, spośród których kluczowe obejmują wycieki w warunkach naddźwiękowych i poddźwiękowych. Co najważniejsze, naddźwiękowe fale uderzeniowe powstające w sytuacji, w której nagle następuje zmiana gęstości lub temperatury gazu, mogą znacząco wpływać na osiągi silnika i powodować niestabilność. „Kluczem do wykorzystania pełnego potencjału obrotowych detonacyjnych komór spalania w zakresie wytwarzania energii jest zaprojektowanie turbiny, która może skutecznie pracować w warunkach dopływu powietrza z prędkościami poddźwiękowymi i naddźwiękowymi”, wyjaśnia Inhestern.
Odtwarzanie procesu powstawania naddźwiękowych fal uderzeniowych
Projekt ROTRANS, którego koordynowaniem zajmował się Berliński Uniwersytet Techniczny w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”, miał na celu lepsze zrozumienie przejścia z przepływu poddźwiękowego do naddźwiękowego, aby ułatwić projektowanie bardziej wytrzymałych i sprawniejszych silników wyposażonych w obrotowe detonacyjne komory spalania. W pierwszej kolejności badacze musieli wyprowadzić równania fizyczne pozwalające na ocenę strat aerodynamicznych oraz termicznych podczas tego procesu. „Następnym krokiem było zmniejszenie złożoności problemu”, dodaje Inhestern. „Zamiast korzystać ze złożonych symulacji 3D, wykorzystaliśmy symulacje 1D. Takie podejście pomogło nam wskazać mechanizm, na którym opiera się ten proces”. Na tej podstawie Inhestern był w stanie odtworzyć przepływ powietrza w warunkach naddźwiękowych w prosty, ale skuteczny sposób. „W celu odtworzenia przepływu naddźwiękowego użyliśmy cienkiej warstwy wody”, wyjaśnia. „To samo zjawisko można zaobserwować w domu – gdy woda z kuchennego kranu uderza w zlew, tworzy cienką warstwę”. Zamiast zlewu kuchennego, zespół Inhesterna wykorzystał obiekt ze szklaną płaszczyzną o powierzchni czterech metrów kwadratowych. Uwalniana na jego powierzchnię woda tworzy cienką warstwę, a zestaw pomp i zbiorników zapewnia ciągłą cyrkulację cieczy. Następny etap prac dotyczył zaprojektowania ramienia napędzanego kołem pasowym, które porusza się pomiędzy obiema stronami badanego obszaru. Delikatnie naruszając powierzchnię wody, narzędzie odtwarza naddźwiękowe fale uderzeniowe, których poszukiwał Inhestern.
Nowe technologie w służbie redukcji emisji gazów cieplarnianych
Doświadczenia przeprowadzone z wykorzystaniem tego urządzenia potwierdziły zjawiska, które badacze z zespołu Inhesterna przewidzieli na podstawie uproszczonych modeli symulacyjnych. Sugeruje to, że stół wodny opracowany w ramach projektu ROTRANS może być bardzo skutecznym i szybkim sposobem badania przepływu naddźwiękowego i oceny skuteczności nowych projektów silników. „Zrozumienie zachowania naddźwiękowych fal uderzeniowych pomoże projektantom naddźwiękowych turbin i sprężarek”, wyjaśnia badacz. „Projektanci każdego urządzenia wykorzystującego dynamikę płynów mogą skorzystać z działań opisujących straty aerodynamiczne i termiczne”. Takie rozwiązania mogą przyczynić się do opracowywania sprawniejszych i bezpieczniejszych silników. Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych wymaga opracowania nowych podejść i technologii. To właśnie w tym obszarze rezultaty projektu ROTRANS mogą okazać się szczególnie cenne i istotne.
Słowa kluczowe
ROTRANS, naddźwiękowe, poddźwiękowe, silniki, fale uderzeniowe, spalanie, emisje
