Prezenta propunere are in vedere elaborarea, implementarea si validarea unui algoritm numeric de mare eficienta computationala si inalta fidelitate numerica, capabil sa simuleze atât procesele de curgere fluida turbulenta din interiorul turbomotorului cât si pe cele de combustie din camera de ardere, in intreaga anvelopa a regimurilor de curgere si de ardere care pot sa apara intr-un turbomotor real.

Pentru realizarea acestui scop, proiectul isi propune o abordare moderna a problemei, utilizand cele mai recente dezvoltari ale metodologiei de calcul numeric, si anume o combinatie a metodei cu Simularea Vârtejurilor Mari (“Large Eddy Simulation” – LES) cu modelul de combustie al Amestecului cu Vârtej Liniar (“Linear Eddy Mixing” – LEM). Noua metoda propusa permite utilizarea unor mecanisme chimice de combustie oricât de complexe, singura limitare provenind din puterea de calcul disponibila.

Validarea algoritmului numeric se va face prin comparatie cu date rezultate din masuratori experimentale. Intr-o prima etapa, se vor utiliza rezultate experimentale existente in literarura de specialitate, iar ulterior se vor realiza, ca parte a proiectului, masuratori experimentale menite sa testeze si sa valideze algoritmul numeric dezvoltat.

Masuratorile experimentale vor fi efectuate valorificând baza experimentala a consortiului, care permite teste la scara reala a camerelor de ardere si a camerelor de postcombustie, cu temperatura variabila la intrare si cu o viteza a aerului mergând pâna la Mach 3. Amenajarea specifica de experimentare se va face in baza experientei, realizarilor si brevetelor acumulate de colectivul proiectului, rezultatul final urmând a fi o instalatie originala, ce se va breveta la rândul ei.

Elaborarea, implementarea si validarea experimentala a acestui algoritm numeric va permite aplicarea simularii numerice la studiul fenomenelor si proceselor care au loc intr-un turbomotor, directie de cercetare care ia o amploare din ce in ce mai mare pe plan european si mondial.

Poluarea excesiva produsa de motoarele de avion trebuie redusa drastic datorita noilor norme de protectie a mediului. In incercarea de a reduce emisiile de noxe (NOx), motoarele aeroreactoare din generatiile viitoare vor fi caracterizate de arderi cu amestec sarac (marirea raportului aer / combustibil). Aceasta imbunatatire conduce, printre altele, la un regim de combustie aflat cât mai aproape de limita de stingere a flacarii, ceea ce inseamna reducerea temperaturii la care se face arderea. In aceste conditii se micsoreaza emisiile poluate, dar apar instabilitati termoacustice. Rezonanta acustica indusa de fluctuatiile emisiei de caldura poate genera oscilatii mari de presiune in interiorul camerei de ardere. Aceste instabilitati termoacustice pot induce, pe langa cresterea emisiei sonore, chiar deteriorarea proprietatilor mecanice ale structurii.

Simularea numerica a fenomenelor care au loc in interiorul camerei de ardere a unui turbomotor a devenit, in special in ultimele decenii, odata cu dezvoltarea rapida a tehnicii de calcul disponibile, una din principalele directii de cercetare si dezvoltare in comunitatea stiintifica internationala. Tehnica simularii numerice are, comparativ cu studiile experimentale, atât avantajul costului semnificativ mai mic, cât si pe cel al multiplicarii numarului de parametrii fizici care pot fi observati si controlati simultan in cursul simularii. Totodata, simularea numerica permite fixarea unor conditii initiale si la limita complexe si perfect controlabile, lucru dificil de realizat in practica experimentala.

Consortiul va folosi direct rezultatele experimentale in programele FP7 in care sunt implicati partenerii, ca si pentru colaborari nationale si internationale viitoare. Metodica dezvoltata, ca si codul rezultat vor fi utilizate in activitatea curenta de cercetare si doctorantura, iar algoritmul si modelul functional vor fi utilizate in activitati practice de proiectare a turbomotoarelor de aviatie pe baza carora va incerca atragerea de noi programe de dezvoltare de afaceri.

De asemenea, doctoranzii de la toate institutele de invatamânt superior din tara pot beneficia de amenajarea experimentala realizata prin acest proiect in scopul elaborarii unor teze de doctorat ce abordeaza de teme de ultima ora in domeniu, precum si al unor eventuale colaborari internationale.

Cresterea competitivitatii României in domeniul cercetarilor si tehnologiilor spatiale, prin dezvoltarea si validarea numerica a algoritmului si prin utilizarea acestuia in programe de cercetare ulterioare din acest domeniu, si cresterea capacitatii sectorului de CDI pentru Tehnologia Informatiei si Comunicatii in vederea sustinerii societatii si economiei bazate pe cunoastere, prin dezvoltarea capacitatii de cercetare – dezvoltare – inovare in domeniul Tehnologiei Informatiei cu ajutorul algoritmului numeric elaborat.

Obiective specifice si rezultate estimate

Realizarea unui algoritm numeric capabil sa realizeze simulari numerice de inalta fidelitate numerica si de mare eficienta computationala, destinat curgerilor reactive turbulente complexe si capabil sa simuleze atât procesele de curgere fluida din interiorul unui turbomotor cât si pe cele de combustie din camera de ardere sau de postcombustie, in intreaga anvelopa a regimurilor de curgere si de ardere care poate sa apara intr-un turbomotor real, implementarea acestuia intr-un program de calcul paralel scalabil, puternic optimizat si care sa poata fi folosit de utilizatori având cunostinte minime de tehnologia informatiei, si validarea acestuia prin comparatie cu date experimentale.

Realizarea unui model multi – functional original de instalatie de validare a algoritmului, realizarea unei amenajari experimentale brevetate pentru verificarea si validarea metodelor de calcul si parametrilor si obtinerea de date experimentale specifice care sa permita o validare cât mai concludenta a algoritmului.

Cercetarea si verificarea rezultatelor pe standuri la scara mare de combustie, cu continuitate in programe FP7 la care coordonatorul de proiect este partener, precum si efectuarea unor studii asupra posibilitatilor eficiente de aplicare a solutiilor proiectului in România

Elementul de nouate vizat este o abordare a problemei curgerii reactive turbulente din punct de vedere numeric noua in România, si aflata la nivelul celor mai moderne directii de cercetare la nivel mondial. Realizarea unui algoritm numeric fiabil, stabil din punct de vedere numeric si usor de utilizat din punctul de vedere al specialistului in gazodinamica nefamiliarizat in detaliu cu problematica numerica, va permite abordarea unor subiecte de cercetare dintre cele mai complexe si in conditii de costuri minime precum si implicarea colectivelor de cercetatori români in teme de cercetare de vârf pe plan international.

CO - www.comoti.ro - INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE DEZVOLTARE TURBOMOTOARE COMOTI BUCURESTI

P1 – www.incas.ro – INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARI AEROSPATIALE “ELIE CARAFOLI” S.A., BUCURESTI

P2 – www.upb.ro - UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI – CENTRUL DE CERCETARI PENTRU AERONAUTICA SI SPATIU

P3 - www.uaic.ro – UNIVERSITATEA “ALEXANDRU IOAN CUZA”, IASI

P4 - www.aerostar.ro – S.C. AEROSTAR S.A., BACAU

CO – Analiza stadiului de dezvoltare al cercetarilor in domeniul algoritmilor numerici destinati curgerilor reactive turbulente si a potentialului lor de dezvoltare. Implementarea algoritmului numeric la nivelul scalei rezolvate a algoritmului, si a modelelor numerice de turbulenta si de combustie ale algoritmului. Analiza bazei experimentale disponibile. Proiectarea experimentelor relevante pentru validarea algoritmului numeric. Instrumentarea standurilor de proba. Executia amenajarilor experimentale. Executia modelului experimental. Anteproiectarea, proiectarea si executia modelului functional. Realizarea experimentelor. Analiza rezultatelor validarilor inermediare si finale. Elaborarea de lucrari stiintifice. Indentificarea potentialului de valorificare economica a proiectului.

P1 – Selectia datelor experimentale existente in literatura de specialitate pentru validarea rezultatelor. Analiza bazei experimentale disponibile. Proiectarea experimentelor relevante pentru validarea algoritmului numeric. Instrumentarea standurilor de proba. Proiectarea modelului experimental. Proiectarea modelului functional. Realizarea experimentelor. Analiza rezultatelor validarilor inermediare si finale. Elaborarea de lucrari stiintifice. Indentificarea potentialului de valorificare economica a proiectului.

P2 – Analiza diverselor scheme numerice si modele numerice de turbulenta si de combustie existente in literatura de specialitate din punctul de vedere al vitezei de calcul si al stabilitatii numerice. Selectia datelor experimentale existente in literatura de specialitate pentru validarea rezultatelor. Analiza rezultatelor validarilor inermediare si finale. Identificarea cauzelor pentru posibilele discordante. Elaborarea de lucrari stiintifice. Indentificarea potentialului de valorificare economica a proiectului.

P3 – Testarea si optimizarea algoritmului numeric la nivelul scalei rezolvate a algoritmului si a modelelor numerice de turbulenta si de combustie. Selectia datelor experimentale existente in literatura de specialitate pentru validarea rezultatelor. Analiza rezultatelor validarilor inermediare si finale. Identificarea directiilor de dezvoltare ulterioara a algoritmului. Elaborarea de lucrari stiintifice. Indentificarea potentialului de valorificare economica a proiectului.

P4 – Implementarea si testarea subrutinelor algoritmului. Proiectarea tehnologiei de executie a amenajarilor experimentale si a modelului experimental. Realizarea experimentelor pe turbomotor. Analiza rezultatelor validarilor inermediare si finale. Elaborarea de lucrari stiintifice. Indentificarea potentialului de valorificare economica a proiectului.