La luce laser rivela i vortici dei gas all’interno dei motori a reazione
La turbina a gas(si apre in una nuova finestra) è la forma principale di conversione di combustibile in energia meccanica e viene impiegata per molti usi, dalle centrali elettriche ai motori a reazione. Un tipico motore a reazione contiene 16 combustori, ognuno dei quali in grado di erogare diversi megawatt di potenza, più di 1 000 volte rispetto ad una caldaia a gas ad uso domestico. Il loro funzionamento dipende quindi da una progettazione scrupolosa, spiega il coordinatore del progetto 3DFlameGT, Yannis Hardalupas: «Stiamo parlando di una quantità elevatissima di calore generato nel piccolo volume di un combustore, di conseguenza se si sbaglia si può facilmente fondere il combustore stesso». Se una fiamma può esistere nel combustore ciò è determinato in parte da una efficace miscelazione combustibile e aria, una proprietà misurata dalla velocità di dissipazione scalare del flusso. «Se tale quantità è molto elevata, si avrà una miscelazione rapida e una reazione veloce, ma se è troppo elevata la reazione non terrà il passo e la fiamma si spegnerà», spiega Hardalupas. «Quello che stiamo cercando di capire è come si può ottimizzare questa quantità all’interno di un combustore al fine di stabilizzare la fiamma». Per misurare la velocità di dissipazione scalare, Hardalupas e il suo team dell’Imperial College di Londra(si apre in una nuova finestra) hanno combinato una serie di quattro laser, che hanno irradiato fogli di luce paralleli nella miscela carburante-aria di un combustore, causando la fluorescenza del combustibile. Questi schemi di luce fluorescente sono stati catturati dalla fotocamera usando l’elaborazione digitale per ricostruire la struttura tridimensionale della distribuzione del carburante e ricavare la velocità di dissipazione scalare. È la prima volta che la velocità di dissipazione scalare è stata misura simultaneamente in tre dimensioni e in tempo reale. Questa nuova comprensione fisica migliorerà le ipotesi dei modelli di calcolo utilizzati per la progettazione dei combustori. Le informazioni saranno utilizzate non solo nella progettazione delle future turbine a gas, ma anche per ottimizzare il funzionamento di quelle già in uso. «La progettazione dei combustori è prevalentemente empirica; prima di raggiungere la progettazione corretta, è necessario eseguire molti test», spiega Hardalupas. Poiché un’ora di test sui motori a reazione costa più di 10 000 euro e sono necessarie migliaia di ore di test per completare una nuova progettazione di motore, ridurre i test porta a un risparmio significativo. Il progetto è stato sostenuto dall’UE attraverso il programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra). «La borsa di studio assegnata a Irfan Mulla è stata estremamente utile perché c’è bisogno di qualcuno con molta esperienza per realizzare questo tipo di ricerca», fa notare Hardalupas. Da allora Mulla ha assunto un incarico presso il prestigioso Istituto indiano di tecnologia di Madras(si apre in una nuova finestra). La ricerca futura esaminerà come è possibile controllare la velocità di dissipazione scalare all’interno dei combustori per i diversi combustibili, una questione pressante dal momento che il portafoglio energetico mondiale si sta spostando verso combustibili sintetici, biocarburanti e idrogeno. «Il modo in cui si comporta la velocità di dissipazione scalare nei combustori che funzionano con tali combustibili è una sfida che deve essere affrontata per arrivare a costruire turbine a gas a carbonio zero», sottolinea Hardalupas. «L’idrogeno gassoso brucia velocemente e se si commette un errore ciò può facilmente danneggiare le pareti del combustore».
