Modelado CFD del flujo interno y la atomización de un inyector pressure-swirl de uso aeronáutico mediante distintos esquemas de reconstrucción de interfase

Abstract

[ES] El presente TFM aborda la resolución del flujo interno y la atomización primaria de un inyector “pressure-swirl” de uso aeronáutico mediante un estudio computacional. El problema de estudio consiste en un flujo bifásico en el que coexisten una fase gaseosa formada por aire y una fase líquida correspondiente al combustible n-heptano. Por ello, el enfoque empleado en la resolución del problema es el método VOF de captura de la interfase. En particular, este trabajo se centra en evaluar el efecto de distintos algoritmos de reconstrucción de interfase con el fin de encontrar el óptimo para el caso de estudio. Con tal finalidad, se emplea el software open-source OpenFOAM®, en el que se llevan a cabo una serie de simulaciones LES con mallas con distinto nivel de refinamiento en la región externa, donde se desarrolla la película de combustible. También se va a implementar una herramienta de mallado adaptativo (AMR) que permita refinar aquellas regiones en las que se desee aumentar la precisión de los resultados, como en la interfase entre el aire y el n-heptano. Todo ello con la finalidad de captar los fenómenos que caracterizan la atomización primaria del combustible, es decir, las oscilaciones e inestabilidades en la lámina de combustible que provocan su disgregación en ligamentos y gotas. Para completar el post-procesado de los resultados se va a implementar un algoritmo de detección de gotas que permita obtener las funciones de densidad de probabilidad (PDF) de las mismas. Las PDF obtenidas se contrastarán con los resultados experimentales disponibles con el fin de validar el modelo CFD. Como punto final, este trabajo aborda un segundo análisis en el que se tratará de evaluar la influencia de la temperatura en el caso de estudio, para lo cual se comparan dos condiciones de operación, una a temperatura ambiente y otra con el combustible precalentado.

[CA] El present TFM aborda la resolució del flux intern i l’atomització primària d’un injector “pressure-swirl” d’ús aeronàutic mitjançant un estudi computacional. El problema d’estudi consisteix en un flux bifàsic en el qual coexisteixen una fase gasosa formada per aire i una fase líquida corresponent al combustible n-heptà. Per això, l’enfocament emprat en la resolució del problema és el mètode VOF de captura de la interfase. En particular, aquest treball se centra en avaluar l’efecte de diferents algoritmes de reconstrucció d’interfase amb la finalitat de trobar l’òptim per al cas d’estudi. Amb tal propòsit, s’empra el software open-source OpenFOAM®, en el qual es duen a terme una sèrie de simulacions LES amb malles amb diferent nivell de refinament a la regió externa, on es desenvolupa la pel·lícula de combustible. També s’implementarà una tècnica avançada de mallat adaptatiu (AMR) que permeta refinar aquelles regions en les quals es desitge augmentar la precisió dels resultats, com en la interfase entre l’aire i el combustible. Tot això amb la finalitat de captar els fenòmens que caracteritzen l’atomització primària del combustible, és a dir, les oscil·lacions i inestabilitats en la làmina de combustible que provoquen la seua disgregació en lligaments i gotes. Per a completar el post-processat dels resultats s’implementarà un algoritme de detecció de gotes que permeta obtindre les funcions de densitat de probabilitat (PDF) d’aquestes. Les PDF obtingudes es contrastaran amb els resultats experimentals disponibles amb la finalitat de validar el model CFD. Com a punt final, aquest treball aborda un segon anàlisi en el qual es tractarà d’avaluar la influència de la temperatura en el cas d’estudi, per a això es comparen dues condicions d’operació, una a temperatura ambient i una altra amb el combustible precalfat.

[EN] This Master´s Thesis deals with the resolution of the internal flow and the primary atomisation of an aeronautical pressure-swirl injector by means of a computational study. The case of study consists of a two-phase flow in which a gaseous phase formed by air and a liquid phase corresponding to the n-heptane fuel coexist. Therefore, the approach used to solve the problem is the VOF method of capturing the interface. In particular, this work focuses on evaluating the effect of different interface reconstruction algorithms in order to find the optimal one for the case of study. To this end, the open-source software OpenFOAM® is used, in which a series of LES simulations are carried out with meshes with different refinement levels in the outer region, where the fuel film is developed. An adaptive meshing tool (AMR) will also be implemented to refine those regions where it is desired to increase the accuracy of the results, such as at the interface between air and n-heptane. The aim is to capture the phenomena that characterise the primary atomisation of the fuel, i.e. the oscillations and instabilities in the fuel film that cause its break up into ligaments and droplets. To complete the post-processing of the results, a droplet detection algorithm will be implemented to obtain the probability density functions (PDF) of the droplets. The obtained PDF will be compared with the available experimental results in order to validate the CFD model. As a final point, this work deals with a second analysis in which the influence of temperature on the case of study will be evaluated, comparing two operating conditions, one at ambient temperature and the other one with preheated fuel.