Desarrollo e implementación de una herramienta de postprocesado para el estudio computacional del flujo bifásico en quemadores aeronáuticos

Abstract

[ES] En la actualidad, existe una preocupación creciente en cuanto a emisiones contaminantes se refiere. La concienciación de la población y las leyes impuestas por los organismos pertinentes, cada vez más estrictas, provocan que sea de vital importancia el desarrollo de tecnologías que permitan reducir las emisiones contaminantes, especialmente los NOx. Así nacen conceptos novedosos que abordan los procesos de inyección y combustión desde un enfoque diferente, como el Lean Direct Injection (LDI). En el presente TFG se aborda la caracterización del flujo bifásico en el interior de quemadores LDI mediante el uso de un código CFD. En este sentido, es de vital importancia realizar un estudio completo de la fase líquida, puesto que la inyección de combustible en la cámara de combustión, su atomización en gotas de diversos tamaños, su evaporación y su posterior interacción con la fase gaseosa son factores determinantes en las emisiones generadas por el motor. Este documento se centra en la resolución de la fase líquida de los flujos bifásicos, ya que estudios previos asentaron las bases de la resolución de la fase gaseosa. Para ello, se hace necesario desarrollar una estrategia de postprocesado que permita obtener todas las variables requeridas para la completa caracterización de la fase líquida. Una vez obtenidos los resultados de las simulaciones, se validarán con datos experimentales obtenidos en la cámara de combustión LDI, instalada en CORIA, que pertenece al proyecto KIAI. Finalmente, se tratará de identificar las estructuras turbulentas presentes en el interior de los quemadores LDI y estudiar cómo afectan al comportamiento de la fase líquida. El éxito de la presente investigación depende del correcto modelado de la fase líquida mediante el código CFD, seleccionando convenientemente el modelo de atomización para el combustible inyectado, con el fin de obtener un modelo CFD que permita reproducir de manera satisfactoria la naturaleza del flujo bifásico.

[EN] Nowadays, there is a growing concern about polluting emissions. The awareness among the population, as well as the increasingly stringent standards imposed by the relevant agencies, make of vital importance the development of new technologies that allow the polluting emissions to be reduced, specially focusing on NOx emissions. In this way, innovative concepts using a different approach for the injection and combustion processes arise, such as the Lean Direct Injection (LDI). The present TFG deals with the numerical characterization of two-phase flows in the interior of the LDI burners by means of a CFD code. In this sense, it is crucial to perform a complete study about the liquid phase, since the fuel injection in the combustion chamber, its atomization in drops of different sizes, its evaporation and its subsequent interaction with the gaseous phase are key factors in engine emissions. This document focuses on the resolution of the liquid phase of two-phase flows, since previous studies already settled down the basics for the resolution of the gaseous phase. For that purpose, a postprocessing strategy that allows to obtain all variables necessary to properly characterise the liquid phase needs to be developed. Once the results from the simulations have been obtained, a validation against experimental data will be carried on. These experimental data are obtained in the LDI combustor, installed in CORIA, which belongs to the KIAI project. Finally, the identification of the turbulent structures that arise in the interior of the LDI burner and the study of their influence on the behaviour of the liquid phase will be made. The success of the present investigation depends on the correct modelling of the liquid phase by means of the CFD code, by properly selecting the atomization model for the injected spray in order to obtain a CFD model that allows to reproduce the nature of the two-phase flow in an effective way.