Как суперкомпьютерные модели сделали водородное пламя предсказуемым

Ключевой целью было изучение условий для создания так называемого «приподнятого пламени», которое стабильно горит на безопасном расстоянии от форсунки, не гаснет и не повреждает оборудование. Учёные сравнили две химические модели горения: детальный 20-шаговый механизм, описывающий все промежуточные реакции, и упрощённую одношаговую модель. Оказалось, что в условиях высокого давления упрощённая модель, требующая значительно меньше вычислительных ресурсов, даёт почти идентичные точные результаты. Это открывает путь к быстрому проектированию горелок для водорода без потери точности расчётов.

Стабильность водородного пламени определяется двумя ключевыми параметрами: числом Свёрла (Sw), которое характеризует закрутку потока топлива и воздуха, создающую стабилизирующий вихревой «пузырь», и числом Дамкёлера (Da), отражающим соотношение скорости химической реакции и скорости потока. С помощью моделирования исследователи обнаружили «зону устойчивости» пламени — баланс этих параметров, при котором пламя не срывается и не возвращается к форсунке. Внутренний вихревой поток оказался критически важным для стабилизации водорода в турбинах, изначально спроектированных для природного газа.

Эти результаты предоставляют инженерам основанную на физике «дорожную карту» для перепроектирования систем сгорания — форсунок, завихрителей и камер — под высокие температуры и реакционную способность водорода. Возможность быстро и точно моделировать множество сценариев на суперкомпьютерах снижает риски, ускоряет разработку и сокращает затраты на испытания. Для отрасли это означает более быстрый переход к коммерческому использованию водородных турбин.

Таким образом, работа способствует ускоренному внедрению водорода как существенного элемента декарбонизации экономики. «Наша задача — обеспечить безопасное, надёжное и эффективное сжигание водорода в энергосистемах будущего», — подчёркивает профессор Санчес. Это исследование приближает общество к чистой энергетике с нулевым выбросом углерода.