Instrumente zur Triebwerkskonstruktion
Der Flugverkehr ist im Aufwind und wird in der absehbaren Zukunft voraussichtlich weiter zunehmen. Flugzeugtriebwerke, die überhaupt erst für den Vortrieb sorgen, dank dessen sich die Flugzeuge am Himmel halten können, verantworten auch eine erhebliche Menge an Kohlendioxidemissionen (CO2) und erzeugen schädliche Stickoxide (NOx). Zur Senkung von Emissionen und zur Minimierung der Auswirkungen des zunehmenden Flugverkehrs auf die Umwelt sind neue Verbrennungssysteme erforderlich. Bei diesem Verbrennungsprozess geht es um die Kraftstoffverbrennung. Luft wird in das Strahltriebwerk angesaugt und in ihm verdichtet. Der Kraftstoff wird in die Luft eingesprüht und ein Funke zündet das Gemisch. Die brennenden Gase dehnen sich aus und die Energie des Abgasstrahls des Motors schaffen den Vortrieb, der das Flugzeug vorwärts schiebt. Obwohl das Ganze sich relativ einfach anhört, sind dabei komplizierte chemische und thermodynamische Vorgänge am Werk. Zur Erzeugung eines maximalen Schubs bei minimalen Emissionen müssen die Ingenieure und Wissenschaftler den Motor derart gestalten, dass die richtige Mischung von Gasen im passenden zeitlichen Ablauf gezündet und ausgestoßen wird. Ohne Prognosemodelle müssten die Wissenschaftler viele Prüfstandversuche durchführen, um die modernen Verbrennungsmotoren der Zukunft entwickeln und optimieren zu können. Europäische Forscher konnten die dazu erforderlichen Designwerkzeuge mit Hilfe der EU-Finanzmittel des Projekts Timecop-AE ("Toward innovative methods for combustion prediction in aero-engines") entwickeln. Die Forscher passten einen sehr erfolgreichen Ansatz zur Simulation turbulenter Strömungen gasförmiger Brennstoffe (Grobstruktursimulation, Large Eddy Simulation, LES) an den Verbrennungsvorgang in konventionellen und sogenannten Magergemisch-Verbrennungsmotoren an. Letztere verbrauchen weniger Kraftstoff und erzeugen weniger Treibhausgase, verursachen aber mehr NOx-Emissionen. Sie werden sicher eine entscheidende Rolle in den Entwürfen der Zukunft spielen, allerdings müssen auch wichtige Probleme wie der beeinträchtigte Brennkammerbetrieb gelöst werden. Die Prognosewerkzeuge von Timecop-AE ermöglichen den Konstrukteuren nun die Modellierung des Verbrennungsprozesses und speziell auch kurzlebiger und instationärer Phänomene, ohne zahlreiche Prüfstandexperimente durchführen zu müssen. Die Steigerung der Effizienz der Motoren der Zukunft bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten und Einführungszeit, die erforderlich ist, um neue Produkte auf den Markt zu bringen, werden den europäischen Luft- und Raumfahrtantriebsherstellern die führende Position sichern.
