Boundary layer flashback sensitivity for a premixed methane/oxygen combustion

Abstract

[EN] Recent studies have shown that the use of a premixed flame inside a combustion chamber may involve a certain operational instability, which appears when the premixed flame propagates against the main flow direction close to the wall boundary layers. This phenomenon is well-known as wall flashback, which has been studied both experimentally and numerically since the 1940’s. In this study, it has been simulated a methane/oxygen premixed combustion for a constant values of p = 1 Pa and u = 5 m/s, through a backward-facing step with a height of h = 0.0254 m, for different operational parameters. Results have shown that equivalent ratios close to the stoichiometric or greater wall temperatures tend to propagate the flame upstream. In addition, two skeletal kinetic mechanisms obtained with the PyCSP toolkit have been compared. Finally, the importance of the transient phase after the change in the way the flame is ignited has been shown.

[ES] Los quemadores de llama premezclada son actualmente muy usados en sistemas de combustión continua como hornos, calderas y turbinas de gas por sus ventajas respecto a las emisiones producidas. No obstante, dicho tipo de combustión presenta en ocasiones fenómenos de inestabilidad que dificultan su control. En el presente trabajo se evalúa una de estas inestabilidades, en concreto el retroceso de llama (flashback), mediante la herramienta computacional OpenFoam. Se estudian los efectos de la varios parámetros como a temperatura de precalentamiento de la mezcla o la proporción combustible-oxidante. Para recrear la turbulencia y obtener el efecto de retroceso, se hará uso de una geometría de referencia en que se incluye un escalón que promueve una zona de recirculación, amplificando el fenómeno.

[CA] Estudis recents han demostrat que l’ús d’una flama premesclada a l’interior d’una cambra de combustió pot suposar l’aparició d’una certa inestabilitat, esta apareix quan la flama premesclada es propaga en direcció contrària a la del flux principal, especialment prop de les regions on apareix la capa límit. Este fenomen és conegut com "flashback prop de la paret", el qual ha sigut estudiat tant experimentalment com numèricament des de la dècada de 1940. En este projecte s’ha simulat una combustió premesclada de metà/oxigen per a uns valors constants de p = 1 Pa i u = 5 m/s, a més, el flux passa a través d’un escaló (backward-facing step) amb una altura de h = 0,0254 m per a diferents paràmetres d’operació. Els resultats han mostrat que per a relacions equivalents pròxims a les condicions estequiomètriques o una refrigeració ineficient de la paret de la cambra de combustió impliquen una propagació de la flama aigües amunt. Així mateix, s’ha fet una comparació entre dos mecanismes de reacció obtinguts amb la ferramenta denominada PyCSP. Finalment, s’ha mostrat la importància de la fase transitòria sobre el fenomen de flashback després del canvi en la forma d’ignició de la flama premesclada