El Barcelona Supercomputing Center-Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) coordina ESTiMatE, que té com a objectiu contribuir a la caracterització i predicció del procés de combustió i les emissions posteriors, per augmentar la predictibilitat i fiabilitat de les prediccions de sutge al sector aeronàutic.
Transcorreguts els tres primers anys del projecte, els investigadors d’ESTiMatE han desenvolupat un conjunt de tècniques avançades per comprendre millor el procés de formació de sutge en els motors aeronàutics. Els ambiciosos objectius de la Unió Europea per arribar a les emissions netes nul·les l’any 2050 ha accelerat la recerca en el desenvolupament de noves tecnologies de combustió per a aeronaus de molt baixes emissions. Un dels contaminants més nocius que produeixen els motors aeronàutics és el sutge, el qual consisteix en un conglomerat d’àtoms de carboni de diferents mides, que deteriora la qualitat de l’aire i provoca problemes respiratoris. La creixent preocupació del seu impacte en la salut humana i en el medi ambient ha promogut una intensa investigació per part de la comunitat aeronàutica. Tot i els avenços importants en aquest camp, encara hi ha moltes preguntes obertes pel que fa als mecanismes que governen la formació del sutge en condicions d’operació. Cal destacar que la formació del sutge és un procés fisicoquímic molt complex que s’origina en la fase gasosa per la formació dels HAP (Hidrocarburs Aromàtics Policíclics) que finalment es converteixen en partícules sòlides durant el procés de nucleació del sutge. La formació del sutge i el seu creixement inclou processos de nucleació, coagulació, aglomeració i oxidació, que encara avui dia molts d’ells no són totalment compresos. A més a més, cal afegir la complexa interacció entre tots aquests processos i el flux turbulent que es desenvolupa en la cambra de combustió. Finalment, en les simulacions numèriques, a fi de descriure la física a totes les escales és necessari l’ús de mètodes numèrics apropiats. En aquesta línia, els investigadors del projecte ESTiMatE s’han centrat en el desenvolupament de models de sutge avançats sota la premissa que puguin ser integrats en codis de dinàmica de fluids (CFD - Computational Fluid Dynamics en anglès).
Per tal de descriure la química de l’oxidació del combustible s’ha obtingut un nou mecanisme de reacció pel combustible del Jet-A1 incloent la química del sutge. El principal esforç s’ha centrat en l’apropiada descripció de la química dels HAP, com el benzè, la naftalina, el pirè, entre altres. Els HAP tenen un rol fonamental durant la nucleació del sutge, i és per aquest motiu que es necessiten models de química precisos per representar correctament aquest procés inicial. Per aquest motiu, s’han mesurat flames en un ampli rang de condicions, i s’han generat grans conjunts de bases de dades amb la informació detallada sobre els estats termodinàmics. Aquest conjunt de dades experimentals, compartit amb Rolls-Royce que és el soci industrial del projecte ESTiMatE, permetrà a més a més futurs desenvolupaments en la comprensió de la química associada a l’oxidació del sutge, així com l’avaluació dels models CFD per les flames que produeixen sutge. Aquesta química està integrada en els codis de mecànica de fluids computacional com Alya, OpenFoam i PRECISE-UNS per avaluar la influència dels models de combustió i el tractament de les interaccions entre la turbulència i la química en les capacitats de predicció dels models de sutge. S’han comparat dues estratègies de distribució de les partícules de sutge, les quals es basen en el mètode de moments i el mètode seccional discret. Com que l’atomització del combustible té un rol fonamental en la mescla d’aire/combustible, i conseqüentment en la formació de contaminants, especialment en el sutge, s’ha dedicat un esforç especial a desenvolupar models per l’atomització del raig que puguin ser integrats en simulacions lagrangianes per representar esdeveniments complexos de fragmentació del líquid a cost reduït.
“Després d’aconseguir aquesta fita, actualment estem treballant en l’aplicació dels models de sutge que hem desenvolupat recentment a Simulacions de Grans Escales per predir la formació de sutge en dues noves instal·lacions” va dir Daniel Mira, investigador sènior del BSC i coordinador del projecte ESTiMatE. “Aquesta investigació ens ajudarà a entendre millor els mecanismes de formació del sutge i a desenvolupar models d’alta fidelitat.”
Aquestes metodologies han estat validades en instal·lacions per mesurar flames laminars, i ara s’estenen a LES per investigar la formació del sutge en condicions més realístiques. Per aquest motiu, s’han escollit dues instal·lacions amb creixent nivell de complexitat per avaluar els diferents enfocaments. La primera configuració consisteix en un model de flama turbulenta a contra flux que permet estudiar la influència del model de combustió i les interaccions entre la turbulència i la química en la formació del sutge, mentre que la segona és la flama produïda per un esprai generat per un injector d’un model de motor aeronàutic del tipus ‘airblast’.
Sobre ESTiMatE
ESTiMatE és un projecte Europeu, finançat per la Comissió Europea dins del programa “Clean Sky”, format per set institucions Europees líders en la ciència de la combustió: el Barcelona Supercomputing Center (BSC), la Technische Universität Berlin (TUB), la Universitat Politècnica de València (UPV), la Technische Universiteit Eindhoven (TUE), la Technische Universität Darmstadt (TUD), la Karlsruher Institut für Technologie (KIT) i la Universität Stuttgart (USTUT) en col·laboració amb Rolls-Royce (RR). El projecte proporciona una estreta col·laboració entre la indústria i les institucions acadèmiques per desenvolupar tecnologies de simulació avançades que poden ser utilitzades per generar sistemes de propulsió més nets i més eficients. ESTiMatE proposa un enfocament multidisciplinari que inclogui el desenvolupament de la química cinètica, l’aplicació de diagnòstics òptics i de làser, el desenvolupament de models de sutge, l’acoblament dels models de sutge amb els codis CFD, i la utilització de la computació d’alt rendiment (HPC-High-Performance Computing) per incrementar l’eficiència computacional dels mètodes. En el projecte ESTiMatE es combinen diferents disciplines amb l’objectiu de desenvolupar models predictius de les emissions de les aeronaus.
- Peu de foto: Camps instantanis del flux de la temperatura, de les fraccions màssiques d’OH i C2H4, i de la fracció de la mescla d’un atomitzador de tipus “airblast” utilitzant Simulacions de les Grans Escales (Large-Eddy Simulations, LES, en anglès) amb química tabulada.