Michał Folusiak

Development of simulation methods of rotating detonation in complex geome-tries

Abstract:

Pomysł wykorzystania zjawiska wirującej detonacji do napędu był po raz pierwszy rozważany w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku przez zespoły badawcze Adamsona i Nichollsa na Uniwersytecie Michigan. Badania nad silnikiem z detonacyjną komorą spalania zostały wznowione po blisko 40 latach i dziś prace prowadzone są w wielu jednostkach naukowych na świecie, a w Polsce na Politechnice Warszawskiej od 2004 roku.

Od 2010 roku Politechnika Warszawska wspólnie z Instytutem Lotnictwa w Warszawie realizuje projekt w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka ‘Silnik Turbinowy z detonacyjną komorą spalania’. Projekt zakłada zastąpienie komory spalania turbowałowego silnika GTD-350 pierścieniową komorą detonacyjną.

W ramach projektu powołana została grupa numeryczna, która ma na celu stworzenie programu komputerowego umożliwiającego badaczom symulacje badanych procesów. Obliczenia numeryczne dostarczają szerokiego spektrum parametrów, często niemożliwych do uzyskania w eksperymencie i dzięki temu pozwalają na lepsze zrozumienie badanych zjawisk. Symulacje mogą być również rozważane jako tania alternatywa dla eksperymentów, szczególnie gdy testowane są optymalizacje geometryczne komór spalania.

Rozprawa jest w większości wynikiem prac autora nad rozwojem kodu REFLOPS USG w czasie trwania projektu i koncentruje się na rozwoju i implementacji wysokowydajnych metod symulacji silnika z detonacyjną komorą spalania. Te obejmują trójwymiarowe symulacje numeryczne w złożonych geometriach, na względnie dużych siatkach obliczeniowych a dodatkowym ograniczeniem jest konieczność otrzymania wyników w czasie krótkim na tyle, aby mogły być użyteczne w procesie projektowania.

W rozprawie autor dowodzi, że solvery Riemanna pierwszego i drugiego rzędu, model nielepkiego, reaktywnego ściśliwego gazu oferuje akceptowalną dokładność w rozsądnym czasie we wstępnych symulacjach wirującej detonacji do zastosowań w napędach. Ponadto, autor proponuje i implementuje dwie techniki podnoszenia wydajności obliczeń, mianowicie metodę adaptacyjnego zagęszczania siatek dyskretyzacji oraz przeniesienie wybranych, kosztownych numerycznie procedur na architektury obliczeniowe kart graficznych CUDA. Autor wykazał poprzez proste testy oraz właściwe symulacje wirującej detonacji, że techniki te mogą być z powodzeniem wykorzystane w obliczeniach silnika z detonacyjną komorą spalania. Wyniki symulacji dwóch komór spalania przedstawione w rozprawie zostały szczegółowo omówione i porównane z dostępnymi wynikami eksperymentów.

Wyniki przedstawione w pracy są częścią projektu UDA-POIG.01.03.01-14-071 ‘Silnik turbinowy z detonacyjną komorą spalania’ finansowanym ze środków UE i Ministerstwa Rozwoju Regionalnego.