Modelado del flujo de aire en un quemador gaseoso mediante dinámica de fluidos computacional

Abstract

[ES] El uso de hidrógeno en quemadores gaseosos es un campo de gran interés en el contexto actual de búsqueda de soluciones tecnológicas para la descarbonización. La optimización de su funcionamiento en cuanto a eficiencia y emisiones requiere un conocimiento detallado del flujo de aire, que permita una mezcla adecuada con el combustible. La herramienta más adecuada para ello es la dinámica de fluidos computacional (CFD), que ha conseguido un gran desarrollo en las últimas décadas.

El presente trabajo fin de grado llevará a cabo el modelado mediante CFD del flujo de aire en un quemador gaseoso de hidrógeno existente en el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos de la UPV. Dicho sistema ha sido diseñado para funcionar con hidrógeno, produciendo una llama en un flujo con un movimiento de rotación (swirl) de la mezcla aire-combustible. El diseño del quemador permite obtener diferentes grados de rotación, lo cual se traducirá en diferentes características del flujo a la entrada de la cámara de combustión, y por tanto de la llama. El objetivo del modelado es, precisamente, analizar las características del flujo de aire creado ante diferentes condiciones de funcionamiento, y cuantificar la relación entre el grado de rotación y el flujo creado en la cámara de combustión.

Para ello, se utilizará el software OpenFOAM mediante la utilidad simpleFoam que comprende flujo incompresible y no reactivo. Se construirá el modelo del quemador, evaluando las características de la malla y su influencia sobre el resultado numérico. Posteriormente, se empleará el software Paraview para el procesamiento y visualización de los resultados obtenidos. A partir de la configuración de malla óptima se evaluará el campo de velocidades y el fenómeno de swirl generado.

[EN] The use of hydrogen in gaseous burners is a field of great interest in the current context of searching for technological solutions for decarbonization. Optimizing its operation in terms of efficiency and emissions requires detailed knowledge of the air flow, which allows adequate mixing with the fuel. The most suitable tool for this is computational fluid dynamics (CFD), which has achieved great development in recent decades. This final degree project will carry out CFD modeling of the air flow in an existing gaseous hydrogen burner in the Department of Thermal Machines and Engines of the UPV. This system has been designed to work with hydrogen, producing a flame in a flow with a rotation movement (swirl) of the air-fuel mixture. The design of the burner allows different degrees of rotation to be obtained, which will translate into different characteristics of the flow at the entrance to the combustion chamber, and therefore of the flame. The objective of the modeling is, precisely, to analyze the characteristics of the air flow created under different operating conditions, and to quantify the relationship between the degree of rotation and the flow created in the combustion chamber. To do this, the OpenFOAM software will be used through the simpleFoam utility that includes incompressible and non-reactive flow. The burner model will be built, evaluating the characteristics of the mesh and its influence on the numerical result. Subsequently, the Paraview software will be used to process and display the results obtained. Based on the optimal mesh configuration, the velocity field and the generated swirl phenomenon will be evaluated.