Científicos averiguan cuánta energía de más consume un motor a reacción por el desgaste de los álabes de turbina gracias a este superordenador
Las turbinas de alta presión de los motores a reacción alcanzan temperaturas de gas que superan los 2.000 grados Celsius, por lo que a la larga se produce un desgaste
El superordenador Frontier es uno de los superordenadores exaescala (capaz de realizar al menos un quintillón de operaciones por segundo) más potentes del mundo. Fabricado por Hewlett Packard Enterprise (HPE) y ubicado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Estados Unidos), posee más de 8,7 millones de núcleos de CPU y GPU. Cada uno de sus nodos incluye un procesador AMD EPYC de tercera generación y cuatro tarjetas gráficas AMD Instinct MI250X.
Un grupo de científicos de la Universidad de Melbourne, GE Aerospace y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), ha utilizando esta poderosísima máquina, ha logrado descubrir cómo los daños microscópicos en los álabes de las turbinas afectan el rendimiento, la eficiencia del combustible y la durabilidad de los motores a reacción.
El Frontier, que es el superordenador más potente del mundo para la ciencia abierta, analizó cómo la degradación de la superficie de las palas de las turbinas de alta presión (HPT) afecta la eficiencia aerotérmica y la transferencia de calor dentro de los motores a reacción.
Los nuevos conocimientos ya se están empleando para el desarrollo de motores de próxima generación
Las turbinas de alta presión de los motores a reacción alcanzan temperaturas de gas que superan los 2.000 grados Celsius. Debido a esta condición extrema, con el paso del tiempo los álabes de la turbina se ven expuestos a rugosidades superficiales, fruto de la erosión, la oxidación y el desgaste mecánico.
Richard Sandberg, presidente de mecánica computacional en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Melbourne, explica que "la degradación ocurre a microescala, y eso hace que sea muy difícil de simular debido a la discrepancia en las escalas de tiempo y longitud: tienes una gran cuchilla, pero luego tienes todos estos cambios minúsculos en la superficie".
La rugosidad puede aumentar significativamente la pérdida aerodinámica, lo que conduce a una peor eficiencia del combustible y al flujo de calor, lo que a su vez conduce a una menor durabilidad y a un mantenimiento más frecuente del motor. Aunque la degradación es inevitable, su predicción puede resultar de gran ayuda, aunque hasta el momento no era posible para los ingenieros.
Para descubrir una solución, los investigadores usaron la potencia de cálculo a exaescala del Frontier para realizar simulaciones con un tamaño de entre 10.000 y 20.000 millones de puntos de cuadrícula y 10/17 grados de libertad. Estas simulaciones revelaron que las nociones previas sobre cómo la rugosidad afecta el flujo viscoso en geometrías simples no se aplican adecuadamente a las geometrías de los motores de turbina.
"Todo nuestro conocimiento sobre los efectos de la rugosidad se ha basado en lo que llamamos problemas canónicos. Pero cuando se observan los efectos de la rugosidad en una pala, en realidad es bastante diferente porque hay muchos fenómenos termodinámicos y dinámicos de fluidos que están ausentes en estos casos canónicos, pero presentes dentro de los motores a reacción", afirmó el Dr. Thomas Jelly, profesor de la Universidad de Melbourne y primer autor del estudio.
Los ingenieros de GE Aerospace ya están aplicando los nuevos conocimientos obtenidos gracias a las simulaciones del Frontier en el diseño de motores de alto rendimiento de próxima generación. Esto incluye la colaboración con la NASA en el Proyecto de Núcleo Híbrido Térmicamente Eficiente para mejorar la eficiencia del combustible en motores comerciales.