Algemeen

De jacht op de fijnste druppel (video)

KIT vesruiving druppel
Verstuiving van de kerosine tijdens een experiment. Het doel van de simulatie is de optimale verdeling van de druppels te berekenen (foto: KIT)

Moderne commerciële vliegtuigen hebben minder dan drie liter brandstof per 100 km per passagiers nodig. Onderzoekers van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) en Rolls-Royce werken samen om deze waarde nog verder te verbeteren. Bovendien willen ze het verbrandingsproces optimaliseren, zodat aanzienlijk minder uitlaatgassen worden geproduceerd. Ze gebruiken supercomputers en simulatiemethoden, die anders worden gebruikt in tsunami-berekeningen of voor watereffecten in computerspellen. Het doel: het vinden van de ideale druppel.

Om bij het vliegen minder schadelijke stoffen zoals roet en stikstofoxiden uit te stoten, is het niet genoeg om het brandstofverbruik te verminderen. Daarvoor is het beter om de verbranding zelf te verbeteren.

Om de milieuvriendelijkheid, betrouwbaarheid en efficiency van vliegtuigmotoren te verbeteren, werken de onderzoekers in Karlsruhe samen binnen een zogenaamde University Technology Center (UTC) al tien jaar samen met motorfabrikant Rolls-Royce.

Complexe taak

Het project is geen gemakkelijke taak. Het verbrandingsproces in een straalturbine is duidelijk anders dan bij een Otto- of Dieselmotor, die met vier slagen werkt: inlaat, compressie, verbranding en uitlaat. Bij straalmotoren is sprake van een continue permanente luchtstroom van zo’n 300 m/s (1080 km/u) en bij temperaturen die ruim boven het smeltpunt van de ingebouwde materialen liggen. Experimenteel onderzoek aan brandstofinjectie, vorming van voorkoming van schadelijke stoffen is overeenkomstig duur en complex.

Om dit probleem aan te pakken, hebben de onderzoekers een virtuele straaltestbank ontwikkeld met behulp waarvan ze door middel van numerieke methoden de vorming van verontreinigende stoffen in de verbrandingskamer kunnen voorspellen.

De methode waarmee de ingenieurs de grootte, vorm, traject en dynamiek van miljoenen kleine druppeltjes van kerosine berekenen en te visualiseren, heet ‘Smoothed Particle Hydrodynamics’. Oorspronkelijk werd de methode gebruikt door astrofysici om explosies van hele sterrenstelsels te berekenen. Later kwamen daar simulatie van tsunami’s en visuele effecten in films en videogames bij. En nu wordt dezelfde technologie dus gebruikt voor onderzoek naar brandstofverneveling.

De fijnste druppel

Hiertoe voedden ze de supercomputer met de specificaties van de injector. Deze werden op de computer eerst verdeeld in de kleinste gebieden, volume-elementen genoemd. Daarbij kijken de onderzoekers naar 1,2 miljard van deze volume-elementen, waar in de industrie en onderzoek 1 miljoen tot 100 miljoen gebruikelijk is.

Even indrukwekkend is de hoeveelheid data: het programma genereert 60 Tb aan gegevens uit een testrun. Na ongeveer een maand is het resultaat beschikbaar. Met een conventionele pc zou daar 72 jaar voor nodig zijn. Maar de inspanning is de moeite waard: een straalmotor kost vijf tot twintig miljoen, een dag op de motortestbank kost € 10.000.

Het resultaat bestaat niet alleen uit lange rijen cijfers. De onderzoekers kunnen ook rechtstreeks in de verbrandingskamer kijken. In de 3D-simulatie kunnen ze zien hoe de brandstof eerst lasso-achtige stroken vormt, die vervolgens overgaan in bellen, die die dan uit elkaar spatten uiteenvallen in druppels van vele vormen.

Fascinerend schouwspeel

Een fascinerend schouwspel, dat in de zoektocht naar de meest geschikte vorm en grootte van druppels ook praktische voordelen heeft. De optische indruk stelt de onderzoekers in staat om de berekeningen te verifiëren en een dieper inzicht te krijgen in wat er in de verbrandingskamer gebeurt. Ze hebben de injector nu al aanzienlijk kunnen verbeteren en het eind is nog niet in zicht.

In de toekomst willen de onderzoekers hun methode uitbreiden naar andere toepassingsgebieden. Van wasmiddelen tot gereedschappen tot verven en lakken- overal zijn er druppels.

Een filmpje op YouTube geeft u een idee hoe het ontstaan van de druppels volgens de simulatie gebeurt.

 

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven