Эльмира Иманбаева 
Солнечные панели и ветряные турбины становятся все более привычной частью пейзажа, однако будущее чистой энергетики во многом зависит от того, насколько эффективно мы сможем сжигать водород. Процесс воспламенения топлива может быть сложным даже в бытовых условиях, а в промышленных масштабах его сложность возрастает многократно. Благодаря суперкомпьютеру Expanse исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего сделали значительный шаг к «укрощению» водородного пламени, создав высокоточные симуляции, способные изменить подход к проектированию безэмиссионных газовых турбин нового поколения.
Команда под руководством Антонио Л. Санчеса, профессора факультета машиностроения и аэрокосмической инженерии Инженерной школы Джейкобса, провела моделирование горения водорода для повышения безопасности его промышленного использования. Используя вычислительные мощности суперкомпьютерного центра Сан-Диего (SDSC), ученые воссоздали условия, имитирующие реальные газотурбинные камеры сгорания. Они смоделировали закрученные струи разбавленного азотом водорода, впрыскиваемые в горячий воздух под высоким давлением. Главная цель – определить, при каких условиях потока формируется так называемое «отрывное пламя», которое стабильно парит над топливной форсункой, не прилипая к ней и не срываясь. Это имеет огромное значение, поскольку водород горит чисто, но его высокая скорость и интенсивность делают пламя нестабильным без тщательного контроля.
«Создавая эти модели на Expanse, мы даем инженерам-конструкторам научно обоснованную дорожную карту поведения водорода в реальных турбинах, – объясняет Санчес. – Когда водородное пламя становится нестабильным, оно может повредить оборудование, снизить эффективность и привести к огромным временным и финансовым затратам».
В ходе исследования, опубликованного в журнале Combustion and Flame, ученые сравнили две химические модели. Первая, получившая название «20-шаговый механизм Сан-Диего», представляла собой детальную схему окисления из двадцати отдельных химических реакций. Она подробно описывала, как водород превращается в воду, включая образование и распад короткоживущих частиц – радикалов. Отслеживание всех этих этапов позволило получить точную картину поведения пламени, но требовало колоссальных вычислительных ресурсов, которые и предоставил Expanse.
Вторая модель была значительно проще и объединяла все реакции в один общий шаг. Это упрощение основано на допущении, что в условиях высокого давления внутри турбины промежуточные молекулы реагируют так быстро, что их количество практически не меняется. Результаты поразили: упрощенная модель оказалась почти такой же точной, как и полная, но работала гораздо быстрее. Это означает, что инженеры теперь могут эффективнее изучать стабильность пламени и производительность турбин без потери точности. «Доказав состоятельность нашей упрощенной модели, мы открываем путь к быстрому прототипированию конструкций горелок», – подчеркнул Санчес.
Исследователи выявили два ключевых фактора, определяющих стабильность водородного пламени: число закрутки (Sw), показывающее, насколько сильно закручиваются потоки топлива и воздуха, и число Дамкёлера (Da), сопоставляющее скорость горения со скоростью движения газовой смеси. Моделирование показало, что существует «золотая середина», в которой пламя остается устойчивым. Слишком слабая закрутка или слишком быстрый поток газа могут привести к срыву пламени, а слишком быстрая реакция – к его обратному движению к форсунке и ее повреждению. Критически важным для стабильности оказался внутренний закрученный вихрь, который помогает «заякорить» пламя.
Эти выводы особенно ценны, поскольку многие существующие газовые турбины были спроектированы для природного газа, а не для чистого водорода. Новые данные помогут инженерам перепроектировать форсунки и камеры сгорания для безопасной и эффективной работы с высокореактивным водородом. Суперкомпьютер Expanse позволил изучить множество комбинаций условий потока с высоким разрешением за часы, а не недели. «Это снижает инженерные риски и приближает сроки внедрения чистого топлива», – отметил Санчес.
Для промышленности результаты исследования означают ускорение пути к коммерческому использованию водородных установок за счет сокращения этапов проб и ошибок. Для общества – это шаг к безуглеродной энергетике и более чистому воздуху. «Водород станет важнейшим топливом, если мы серьезно настроены на декарбонизацию, – заключает Санчес. – Наша задача – обеспечить его безопасное, надежное и эффективное сжигание в системах будущего».
