Cálculo CFD de la turbulencia en toberas de inyección mediante simulaciones les para su aplicación al cálculo de la atomización primaria mediante DNS

Abstract

El presente trabajo es un estudio del flujo interno de combustibles líquidos a su paso por la tobera de inyección de un inyector mediante técnicas CFD. Para llevarlo a cabo, se han seleccionado tres combustibles diferentes (etanol, isooctano y heptano) con números de Reynolds dispares, y se han realizado simulaciones LES con el software computacional OpenFOAM para observar y analizar el comportamiento del flujo a través de una tobera de geometría cilíndrica.

Para llevar a cabo el estudio se han analizado diferentes parámetros del flujo una vez que éste ha sido calculado. Parámetros tales como los campos de velocidad absoluta y pulsátil, de especial importancia este último para poder observar las zonas en las que es más importante la componente instantánea de la velocidad que es la propia de movimientos turbulentos, así como la vorticidad y las estructuras turbulentas presentes en el flujo, que van a indicar las zonas en las que el desarrollo de la turbulencia es mayor y los casos de combustible en los que existe un mayor comportamiento turbulento. Además se han obtenido datos como los perfiles de velocidad y la ley de pared del flujo para poder compararlos con la teoría y tener así una validación fiable de los resultados obtenidos.

Los resultados comentados en el párrafo anterior se han obtenido gracias a la generación de un pequeño campo turbulento inicial, mediante la herramienta boxTurb, en una geometría prismática en la que se desarrolla el flujo y se torna turbulento para luego mapear o traspasar los datos del flujo ya turbulento a la geometría cilíndrica. A partir de ahí, se deja desarrollar el flujo en esta geometría y se obtienen posteriormente los resultados gracias a las herramientas de postprocesado ParaView y Spyder.

Tras analizar los resultados, se ha realizado una comparación de los chorros que se forman cuando el combustible abandona la tobera de inyección, calculados mediante simulaciones DNS, con el objetivo de ver el comportamiento de cada combustible durante el proceso de atomización, que es el fin último del presente trabajo.

Finalmente, las conclusiones obtenidas casan adecuadamente con lo que en un principio se esperaba. El número de Reynolds tiene una importancia fundamental en lo que al desarrollo del flujo turbulento y la posterior atomización se refiere. Del mismo modo, la interacción del flujo con la pared del conducto tiende a generar esa turbulencia y a contribuir en su desarrollo. Es por ello que el estudio del flujo interno en toberas de inyección se confirma como valioso para la obtención de información relativa a la turbulencia del flujo de combustible y consecuentemente a la atomización de los combustibles líquidos.