Estudio computacional del flujo interno y atomización primaria en un inyector aeronáutico "pressure-swirl" mediante técnicas avanzadas de mallado

Abstract

[ES] Desde sus inicios, el crecimiento de la industria aeroespacial ha estado ligado a la investigación, desarrollo e implementación de tecnologías punteras en sus sistemas y vehículos. En la actualidad, la masificación de los cielos derivada del aumento en número y frecuencia de los vuelos comerciales plantean un desafío medioambiental sin precedentes. En este sentido, ahondar en la comprensión de los procesos de inyección y atomización del combustible en fase líquida es fundamental para garantizar una combustión completa y eficiente con niveles mínimos de emisiones contaminantes.

Con tal objetivo, el presente Trabajo Final de Máster se centra en la caracterización del flujo interno y de las estructuras formadas tras la atomización primaria en un inyector ¿pressure-swirl¿, ampliamente usado en los motores de turbina de gas aeronáuticos. Estos atomizadores hacen uso de la presión como mecanismo de acción para impulsar el combustible a través de sus canales tangenciales, dotando así al flujo interno de una componente rotatoria que permite expedir el combustible en forma de spray cónico hueco.

En particular, un atomizador comercial del suministrador Danfoss es objeto de estudio. En una primera etapa, se determinan sus dimensiones características con el uso de técnicas experimentales, como la medición de las piezas y moldes de silicona de la geometría interna mediante microscopio óptico y electrónico (SEM). De esta forma, se define la geometría de referencia empleada para configurar el posterior estudio CFD (Computational Fluid Dynamics).

El estudio computacional consiste en el análisis del flujo interno y del spray externo generado por el atomizador Danfoss, ya caracterizado. Para ello, se llevan a cabo simulaciones LES (Large Eddy Simulations) en un dominio representativo del campo cercano a la salida del atomizador, introduciéndose herramientas de mallado automático para capturar con detalle los fenómenos físicos responsables de la rotura de la lámina de combustible en multitud de ligamentos y gotas. Estas técnicas avanzadas, conocidas como Mallado Adaptativo (AMR, del inglés Adaptative Mesh Refinement), permiten refinar en tiempo de simulación aquellas regiones de interés donde la fluidodinámica está menos resuelta. En este caso, el refinamiento se centra en la interfase combustible-aire, ofreciendo así un excelente compromiso entre precisión y coste computacional.

[EN] Since its very beginning, aerospace industry growth has been closely related to the investigation, development and implementation of cutting-edge technologies into their systems and vehicles. Nowadays, overcrowded sky due to the increase in number and frequency of commercial flights represents an unprecedented environmental challenge. In this sense, to deepen in the comprehension of the injection and atomization processes of liquid fuel is essential to guarantee a complete and efficient combustion with minimum levels of polluting emissions.

To achieve that goal, this Master's Thesis Project focuses onto the characterization of the internal flow and main flow structures formed once primary atomization occurs in a ¿pressure-swirl¿ injector, which is widely extended among gas turbine aeronautical engines. These atomizers use pressure forces as driven mechanism to guide the fuel through their tangential ports in order to provide a whirling motion to the internal flow, which makes the fuel emerge as a hollow-cone spray.

Particularly, an atomizer commercially distributed by Danfoss is studied. At a first stage, its characteristic dimensions are determined by experimental techniques, such as optical and electronic microscopy (SEM) measurements of pieces and silicone molds regarding the internal atomizer geometry. Thereby, the reference geometry used to configure the subsequent CFD study (Computational Fluid Dynamics) is defined.

The computational study consists in the analysis of the internal flow and external spray generated by the Danfoss atomizer, already characterised. For that purpose, LES (Large Eddy Simulations) simulations are carried out for a representative domain that contains the field close to the atomizer outlet, where advanced meshing tools are introduced to capture the physical phenomena responsible for the sheet breakup into a wide variety of ligaments and drops with sufficient detail. These advanced techniques, known as Adaptive Mesh Refinement (AMR), modify mesh sizes during simulation time at the regions where fluid dynamics is subgrid-resolved. In our case, refinement focuses onto fuel-air interphase, hence providing an excellent compromise between accuracy and computational cost.

[CA] El present Treball Final de Master se centra en la caracteritzaci ` o del ´ flux intern i de les estructures formades despres de l’atomitzaci ´ o prim ´ aria en un injector ` “pressure-swirl”, habitualment empleat en els motors de turbina de gas aeronautics. Aquests ` atomitzadors utilitzen la pressio com a mecanisme d’acci ´ o per a impulsar el combustible a ´ traves dels seus canals tangencials, dotant aix ´ ´ı al flux intern d’una component rotatoria que ` permet expedir el combustible en forma de spray conic vuit.