Для производства меньшего количества загрязняющих веществ, таких как технический углерод или оксиды азота, в авиации недостаточно снизить потребление, говорит Райнер Кох, руководитель группы разработки камер сгорания Института тепловых турбомашин (ITS) KIT. Скорее нужно улучшить собственно горение.
Чтобы еще больше повысить экологическую совместимость, надежность и экономическую эффективность авиационных двигателей, исследователи уже ровно десять лет сотрудничают с производителем двигателей Rolls-Royce в так называемом университетском технологическом центре (UTC). Достичь вышеуказанных целей сложно: наблюдать только за процессом сгорания в машине, в которой все четыре такта — впуск, сжатие, сгорание и выпуск — происходят одновременно и непрерывно, в отличие от поршневого двигателя, далеко не просто. В авиационных двигателях воздух движется со скоростью 300 м в секунду, а температура намного выше точки плавления используемых материалов. Соответственно, экспериментальные исследования впрыска топлива, образования загрязняющих веществ и предотвращения загрязнения являются дорогостоящими и сложными.
Для соответствующих исследований Кох и его команда разработали виртуальную испытательную установку для форсунок, с помощью которой можно прогнозировать образование загрязняющих веществ в камере сгорания с помощью численных методов. Метод, используемый инженерами для расчета и визуализации размера, формы, траектории и динамики миллионов мельчайших капель керосина, называется гидродинамикой сглаженных частиц. Первоначально его использовали астрофизики для расчета взрывов целых галактик.
Позже он был применен для моделирования цунами и для визуальных эффектов в фильмах и видеоиграх. «Затем мы решили использовать его для распыления топлива», — говорит Кох.«Для моделирования в суперкомпьютер вводятся технические данные форсунки», — объясняет Тило Даух, ученый из ITS. Сопло в компьютере разделено на мельчайшие участки, называемые объемными элементами. Затем анализируется 1,2 миллиарда элементов объема.
Обычно промышленность и исследования в других случаях используют от миллиона до 100 миллионов элементов объема. Объем данных также впечатляет: за один тестовый прогон программа генерирует 60 терабайт данных.
Примерно через месяц результат налицо. «С обычным ПК вам понадобится 72 года», — говорит Даух. Затраты оправданы: «Авиадвигатель стоит от 5 до 20 миллионов.
День на испытательном стенде двигателя стоит всего несколько 10 000 евро».И ученые получают больше, чем просто таблицы с цифрами. «Мы также можем заглянуть прямо в камеру сгорания», — говорит Кох. В трехмерном моделировании исследователи могут наблюдать, как топливо формирует полосы в форме лассо, которые затем превращаются в пузырьки, которые лопаются и разлетаются в виде капель различной формы. Это увлекательное зрелище имеет большое практическое применение при поиске капли, имеющей наиболее подходящую форму и размер.
Оптический слепок служит для проверки расчетов и углубления понимания процессов, происходящих в камере сгорания. «Нам уже удалось значительно улучшить форсунку», — подчеркивает Кох. «И мы будем продолжать это делать».В будущем исследователи планируют использовать свой метод и в других областях.
Капли встречаются повсюду, от производства моющих средств и инструментов до окраски и нанесения покрытий.UTC компании KIT была основана в 2007 году.
Исследования сосредоточены на технологиях охлаждения, уплотнения и камеры сгорания будущих авиационных двигателей. «Работа в UTC характеризуется постоянным взаимодействием практики, моделирования и экспериментов, — говорит Ханс-Йорг Бауэр, глава ITS. Инженеры определяют проблемы, которые необходимо изучить, ученые разрабатывают модели на компьютере и проверяют их в эксперименте. «Затем результаты используются в практических разработках», — продолжает Бауэр. Следовательно, UTC вносит существенный вклад в разработку новых и более совершенных двигателей. «Кроме того, научное сотрудничество дает студентам и докторантам возможность сотрудничать с ведущими учеными и опытными инженерами и проводить исследования в целях развития новейших технологий», — говорит Бауэр.
К настоящему времени более 70 докторантов и несколько сотен студентов работали над текущими и будущими аспектами исследования авиационных двигателей в UTC в сотрудничестве с Rolls-Royce.