Die Hauptziele von FIRST bestanden darin, eine Möglichkeit zur Vorhersage der Kraftstoffzerstäubung zu liefern, die die Unregelmäßigkeit des Zerstäubungsprozesses bei Gasturbinen-Einspritzdüsen darstellen konnte, sowie ein verbessertes Verfahren zur Ruß-/Partikelmodellierung für numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) bei der Verbrennung bereitzustellen.
Vor dem FIRST-Projekt gab es nur sehr wenige Informationen über die Zerstäubungseigenschaften von Einspritzdüsen für Rolls-Royce-Triebwerke mit fetter und magerer Verbrennung. In der Regel wurden Lefebvre-Korrelationen verwendet, um die Randbedingungen der Kraftstoffzerstäubung für die CFD-Modellierung dieser Einspritzdüsen in Brennkammerströmungen abzuschätzen. Dieses grobe Verfahren, das für numerische Modellierung verwendet wurde, erschwerte die genaue Vorhersage von Strömungsfelder in Brennkammern und damit auch der Emissionen. Bevor weitere Fortschritte zur Verbesserung der Modellierungstechniken erzielt werden konnten, waren Messungen der Brennstoffpartikelgrößen und -geschwindigkeiten erforderlich..
In den Verbrennungslaboren von Rolls-Royce Derby wurde eine neue Prüfeinrichtung errichtet, die speziell für PDA-Messungen (Phase-Doppler-Anemometrie) von Kraftstoffnebeln aus Triebwerksdüsen entwickelt wurde. SCITEK führte bei der Phase-Doppler-Anemometrie und Strömungsvisualisierung alle Messungen für diese Studie durch. Es wurden Testgeometrien konstruiert und hergestellt, die einen einzelnen Sektor einer Motorbrennkammer darstellten, sodass die Zerstäubungsbedingungen besser der Realität entsprachen. Es wurden Einspritzdüsen mit magerer und fetter Verbrennung unter einer Reihe von Bedingungen getestet, die für die jeweiligen Motorzyklen relevant sind, und es wurden an zahlreichen Stellen detaillierte Messungen der Tröpfchengrößen und -geschwindigkeiten durchgeführt. Die Arbeit wurde auf Sprays aus alternativen Kraftstoffen ausgedehnt, um einen Vergleich mit einem standardmäßigen Kerosin-Spray zu ermöglichen.
Dank der Messungen des Sprühnebels aus den Kraftstoffeinspritzdüsen konnten nun die für CFD-Modellierung der Brennkammern von Rolls-Royce-Triebwerken erforderlichen Randbedingungen bestimmt und der Verlauf des Zerstäubungsprozesses beschrieben werden, während sich die Strömung stromabwärts von den Kraftstoffeinspritzdüsen weg bewegt. Dies sind wichtige Informationen zur Verbesserung der numerischen Modelle zum Vorhersagen der Reaktionsströme in Triebwerken. Die CFD-Modelle können nun anhand der Sprühmessungen für eine breite Palette von Geometrien und Bedingungen validiert werden, was die Modellierungsgenauigkeit erheblich verbessern wird. Zukünftige Konstruktionen von Brennkammern und Einspritzdüsen für Flugzeugtriebwerke werden von der verbesserten Modellierungsgenauigkeit profitieren.
