Implementación y validación de un modelo de dos ecuaciones para la predicción de hollín en quemadores de turbinas de gas

Abstract

[ES] El proceso de formación de hollín ocurre en una gran cantidad de sistemas de combustión, tanto con combustibles de origen fósil como renovable, cuando se dan condiciones locales de dosados ricos y altas temperaturas. El hollín suele ser un precursor de las partículas, cuya emisión a la atmósfera suele estar limitada para mitigar sus efectos nocivos.

La predicción de la formación de hollín en quemadores de turbinas de gas es de gran interés para poder obtener sistemas propulsivos o de generación de electricidad más respetuosos con el medio ambiente. Para ello, se pueden desarrollar diferentes modelos, siendo de gran interés aquellos que pueden ser integrados en herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD). El presente trabajo fin de grado aplicará el modelado de hollín mediante un modelo de dos ecuaciones implementado en flamelets laminares, con el objetivo de crear una tabulación del estado termoquímico que posteriormente se puede integrar en un código CFD para resolver las condiciones locales de formación de hollín en sistemas de combustión reales.

El trabajo de fin de grado comenzará con un resumen de los conceptos básicos de combustión necesarios para la comprensión del modelo a tratar durante el proyecto. A continuación se optimizará el flujo de trabajo de la herramienta LFLAM, modelo de combustión basado en flamelets creado por el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) y empleado por el Instituto CMT-Motores Térmicos. En esta misma herramienta se ha incluido un modelo de predicción de hollín de 2 ecuaciones con 5 submodelos diferentes basados en diferentes tesis y experimentos de la bibliografía. Se realizará un tabajo de validación de los cálculos numéricos de LFLAM comparando cada uno de los submodelos de hollín con datos experimentales, con el fin de seleccionar el que mejor representa la realidad. En una etapa posterior, se llevará a cabo un proceso de tabulación para la integración del modelo de hollín en el software CFD Alya, desarrollado por el Centro de Supercomputación de Barcelona. Finalmente, este trabajo concluirá con el cálculo de un caso sencillo en CFD con la implementación de los cálculos de hollín realizados en LFLAM con el fin de corroborar la exactitud del modelo y la validez de la implementación.

[EN] The process of soot formation occurs in a wide range of combustion systems, both with fossil and renewable fuels, when local conditions of rich fuel-air mixtures and high temperatures are present. Soot is often a precursor to particulate matter, the emission of which is typically regulated to mitigate its harmful effects. Predicting soot formation in gas turbine burners is of great interest in order to develop propulsion systems or electricity generation systems that are more environmentally friendly. Different models can be developed for this purpose, with particular interest in those that can be integrated into computational fluid dynamics (CFD) tools. This final degree project will apply soot modeling using a two-equation model implemented in laminar flamelets, with the aim of creating a tabulation of the thermochemical state that can be subsequently integrated into a CFD code to solve the local conditions of soot formation in real combustion systems. The project will begin with an overview of the fundamental concepts of combustion necessary for understanding the model to be addressed. Subsequently, the workflow of the LFLAM tool will be optimized. LFLAM is a combustion model based on flamelets created by CIEMAT (Center for Energy, Environmental and Technological Research) and used by the CMT-Motores Térmicos Institute. Within this tool, a two-equation soot prediction model with five different submodels based on various theses and experiments from the literature has been included. A validation study of the numerical calculations performed by LFLAM will be conducted, comparing each of the soot submodels with experimental data in order to select the one that best represents reality. In a subsequent stage, a tabulation process will be carried out to integrate the soot model into the CFD software Alya, developed by the Barcelona Supercomputing Center. Finally, this project will conclude with the calculation of a simple case in CFD, implementing the soot calculations performed in LFLAM to verify the accuracy of the model and the validity of the implementation.