Se ti sei mai sentito frustrato mentre fissavi una piccola girandola che gira mentre un computer porta a termine un compito, prova ad aspettare sei settimane.

Questa è la situazione in cui si trovano spesso gli ingegneri aeronautici quando progettano nuove turbine. Con più pale della ventola che girano migliaia di volte al minuto e flussi d'aria che si muovono più velocemente della velocità del suono, modellare accuratamente la macchina complessa è una sfida ardua.

Praticamente tutti gli aerei commerciali utilizzano motori a turbina e il 90% dell'elettricità mondiale è prodotta da turbine. All'inizio degli anni '90, i principali produttori di turbine al mondo, L'aeronautica americana e la NASA si sono unite con esperti accademici e una società di software per formare il Consorzio GUIde per affrontare le "grandi sfide" nell'aeromeccanica delle turbomacchine. Giunto alla sua sesta iterazione, il programma lavora per ridurre il tempo di rotazione della girandola da settimane a giorni, aumentando allo stesso tempo la precisione della simulazione.

"Il Consorzio GUIde finanzia la ricerca precompetitiva per soddisfare le esigenze dei metodi di progettazione dei suoi membri, " ha detto Robert Kielb, direttore del Consorzio GUIde e professore di pratica dell'ingegneria meccanica e della scienza dei materiali alla Duke University, che è stata l'istituzione principale del programma dal 2008. "Negli ultimi sei anni, ci siamo concentrati sulla risposta forzata di un compressore integrato, che determina il modo in cui le onde di pressione interagenti forzano le pale della ventola di un turboreattore a vibrare".

Queste vibrazioni sono sia un problema di sicurezza che di costo. Se le lame vibrano troppo, possono danneggiarsi nel tempo e richiedere una manutenzione costosa. O peggio, possono rompersi e causare guasti al motore.

Le società di ingegneria dei turbojet dispongono ciascuna del proprio software interno per progettare nuovi motori, ma si affidano alla ricerca condotta dal Consorzio GUIde per assicurarsi che il loro software sia accurato. Acquistano anche pacchetti e programmi da ANSYS, l'unica società di software nel Consorzio GUIde, che collabora con i ricercatori del gruppo per testare e migliorare i propri prodotti.

Nell'anno passato, I ricercatori del Duca guidati da Shreyas Hegde, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Kielb, ha affrontato diverse questioni chiave nel software di modellazione prodotto da ANSYS.

"I modelli del settore in genere eseguono un'analisi completa a 360 gradi per capire come ogni fila di pale del ventilatore farà vibrare i suoi vicini, " ha detto Hegde. "Stiamo cercando di aiutare a semplificare queste simulazioni senza perdere la precisione nei risultati."

Una ventola a turbogetto è costituita da file di pale che si alternano tra "statori" stazionari e "rotori" rotanti. Anche se un grande motore ha diversi set di ciascuno, le simulazioni utilizzate nella fase di progettazione in genere modellano solo un rotore inserito tra due statori.

In uno studio recente, Kielb, Hegde e i loro colleghi hanno cercato di vedere quali effetti ha sulla simulazione l'aggiunta di un altro rotore a valle. Hanno scoperto che le onde di pressione che attraversano il sistema spesso si riflettono da questa fase e influenzano la vibrazione delle pale della ventola trovate in precedenza nel motore.

"Non è la migliore notizia per le aziende che progettano turboreattori, perché più il modello diventa complicato, più lunghi e difficili da interpretare i risultati, " disse Kielb. "Ma se non includessi quel rotore in più, potresti rifiutare un progetto anche se gli effetti di interazione di quel rotore ridurrebbero la vibrazione forzata abbastanza da farlo funzionare bene. Oppure può succedere il contrario, dove l'aggiunta del rotore all'analisi mostra che l'ampiezza della vibrazione sarà effettivamente maggiore."

Le simulazioni sono più facili da completare se ciascuno dei rotori e statori ha un numero di pale del ventilatore con un denominatore comune. Per esempio, se la simulazione standard statore-rotore-statore sopra descritta contenesse le pale del ventilatore numerate 44-33-44 - il denominatore comune è 11 - potrebbe essere semplificata solo a 4-3-4, ma essere ancora perfettamente preciso.

Nei modelli non uniformi, uno di questi numeri è leggermente sbagliato. In questo esempio, il numero di pale della ventola potrebbe cambiare in 44-33-48. Anche lievi differenze come questa sono state a lungo una spina nel fianco del settore quando si cerca di simulare le prestazioni di un progetto.

In un'altra recente modifica al software, ANSYS ha permesso di completare simulazioni abbreviate di questi modelli non uniformi, e si rivolse a Duke per controllare il loro lavoro.

"Abbiamo messo insieme un intero modello a 360 gradi che includeva tutte le complessità a cui potresti pensare, " ha detto Kielb. "Ciò ha prodotto una rappresentazione più accurata delle capacità e dei limiti del nuovo software ANSYS".

Il gruppo sta scoprendo che nella maggior parte dei casi il software ANSYS funziona bene, ma in alcuni casi, non funziona molto bene, e le aziende devono sapere quali sono i casi.

E anche ANSYS. Grazie al lavoro svolto alla Duke, la società di software può scoprire problemi con i propri metodi e risolverli, che aiuta l'intera industria delle turbine.

"Il Consorzio GUIde va avanti da quasi due decenni, e si è rivelato un accordo davvero vantaggioso per tutti i soggetti coinvolti, " ha detto Kielb. "Passeremo altri due anni a far funzionare queste simulazioni di vibrazioni forzate nel miglior modo possibile, e poi il consorzio passerà ad altre sfide".