Estudio CFD del proceso de inyección de un agente extintor de incendios en OpenFOAM

Abstract

[ES] El camino hacia utilizar agentes extintores de incendios limpios a bordo de las aeronaves pasa por el estudio minucioso de todo el proceso de inyección y la influencia de cada una de las propiedades de los fluidos empleados. Es en este contexto en el que surge el presente estudio, el cual emplea la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) mediante el software de código abierto OpenFOAM para analizar la inyección de un agente extintor en la cabina de un avión. Para realizar este estudio se ha obtenido un caso base, el cual es representativo de una aplicación real, y será empleado como fundamento de los posteriores análisis paramétricos. A este caso se le ha definido en el pre-proceso la geometría simplificada, una malla refinada en las zonas de mayor gradiente, las propiedades de las fases, las condiciones de contorno e iniciales y el modelo de turbulencia. Posteriormente se han definido los esquemas de discretización y de resolución y se ha resulto el caso base mediante un solver multifásico de flujo homogéneo. Para validar el caso base se ha realizado un análisis de independencia de malla que ha permitido reducir el coste computacional y además, se han validado los resultado empleando datos experimentales. Cuando el caso base fue obtenido, se han realizado diversas simulaciones de forma similar con el objetivo de realizar diferentes estudios paramétricos. El primero de estos estudios se centra en analizar la influencia de ciertas condiciones de contorno e iniciales como son la presión y temperatura del medio donde se inyecta el fluido y la presión de inyección, donde de los resultados se puede extraer que el rango habitual de variación de la presión y temperatura del medio no afecta de forma significativa a los parámetros medidos. Sin embargo, sí que se ha concluido que es vital la importancia en el control del chorro de inyección de la presión de inyección. Después, se ha realizado otro bloque de estudios paramétricos, donde se analiza la influencia en el proceso de inyección de la densidad, compresibilidad, entalpía y viscosidad del fluido de inyección. De este bloque se ha extraído la importancia de tener en cuenta parámetros como la densidad y la compresibilidad, y que otros parámetros como la entalpía y la viscosidad no son tan relevantes para el caso estudiado en el que no hay cambios de fase. Por último, se ha comparado la actuación del Novec 1230 con respecto a la del agua, concluyendo que este fluido no contaminante mejora la efectividad a la hora de apagar el fuego.

[EN] The way of finding clean fire extinguishing agents on board aircraft is through a careful study of the entire injection process and of the influence of each of the properties of the fluids used in this purpose. It is in this context that the current study arises, which uses Computational Fluid Mechanics (CFD) through the open source software OpenFOAM to analyse the injection of an extinguishing agent in the cabin of an aircraft.

To carry out this study, a base case, which is representative of a real application, has been obtained, and it has been used as the core for following parametric analyses. For obtaining this base case, a simplified geometry, a refined mesh in the areas of greatest gradient, the properties of the phases, the initial and boundary conditions and the turbulence model had been defined in the pre-processing of this case. Subsequently, the discretization and resolution schemes have been defined and then, the base case was solved using a homogeneous multiphase flow solver. To validate the base case, a mesh independence analysis has been carried out, which has allowed to reduce the computational cost. Besides, the results obtained for the base case have been validated using experimental data.

When the base case was obtained, various simulations have been carried out in a similar way, with the objective of making several parametric studies. The first of these studies focuses on analysing the influence of certain boundary and initial conditions such as the pressure and temperature of the medium where the fluid is injected and the injection pressure. The result of this first study showed the influence of the ambient pressure and temperature in their usual range of variation do not affect the studied parameters. However, the study allow to verify the capital importance of the injection pressure in the behaviour of the injection jet. Later, another block of parametric studies has been performed, where the influence on the injection process of density, compressibility, enthalpy and viscosity of the injection fluid is analyzed. From this block it has been extracted the importance of taking into account parameters such as the density and compressibility, and that other parameters such as enthalpy and viscosity are not so relevant for the case studied where is not phase change.

In last place, the performance of the Novec 1230 in the injection process has been compared with the one of the water. From this, it has been extracted that, this non-contaminant fluid makes improvements when extinguishing a fire.