Estudio computacional del flujo no reactivo en cámaras de combustión

Abstract

El presente Trabajo Fin de Master trata la resolución numérica mediante códigos CFD de una novedosa estrategia de inyección/combustión, conocida como Lean Direct Injection, aplicada a los motores de flujo continuo. Este nuevo concepto surge como reacción a las cada vez más estrictas regulaciones de emisiones contaminantes, especialmente NOx, impuestas por los organismos pertinentes (Comité en Protección Ambiental en Aviación, CAEP). El estudio de la inyección de combustible, atomización y posterior evaporación e interacción con el flujo turbulento presente en la cámara de combustión resulta de vital importancia para determinar la eficiencia global y las emisiones vinculadas al motor. Este documento pretende establecer una base sólida previa a dicho estudio, mediante la resolución de un flujo premezclado no reactivo que permita caracterizar la estructura del campo de velocidades turbulento formada por el aire en la cual se inyectará posteriormente el combustible. Para ello se toma como referencia experimental la cámara de combustión LDI diseñada en CORIA para el proyecto KIAI. El éxito en la consecución de esta tarea depende de la capacidad del código CFD de resolver las escalas espaciales y temporales implícitas al problema, y por tanto predecir correctamente la intensidad de la zona de recirculación encargada de garantizar la estabilidad de la llama formada en este enfoque LDI.

The present Master's Thesis deals with the numerical resolution by means of CFD codes of a pioneering injection/combustion strategy, known as Lean Direct Injection, applied to continuous flow engines. This new concept arises as a reaction to the more stringent atmospheric pollutant emissions control, especially NOx, imposed by the relevant agencies (Committee on Aviation Environmental Protection, CAEP). The study of fuel injection, atomization and later interaction with air by means of a numerical approach is deemed to predict the detailed behavior of these phenomena affecting the overall engine cycle efficiency and emissions. This document aims to establish a solid base prior to that study, by means of the resolution of a non-reactive premixed flow that allows to characterize the structure of the turbulent velocity field formed by the air in which the fuel will be injected later. For this, the LDI combustion chamber designed in CORIA for the KIAI project is used as an experimental reference. The success in achieving this task depends on the ability of the CFD code to provide many information on temporally and spatially highly resolved scales, and therefore correctly predict the intensity of the recirculation zone responsible for guaranteeing the stability of the flame formed in this LDI approach.