Modelado de chorros líquidos en un quemador confinado mediante dinámica de fluidos computacional

Abstract

[ES] El uso de combustibles líquidos de origen sostenible 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 fenómenos complejos como la atomización, evaporación y mezcla aire-combustible, así como la reacción química en un flujo turbulento. 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 proceso de inyección de chorros líquidos mediante el software OpenFOAM. Dicha inyección tendrá lugar en la cámara de combustión de una instalación que se va a poner en marcha en el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos de la UPV con el objetivo de caracterizar el comportamiento de nuevos combustibles sintéticos en las condiciones de una turbina de gas. En una primera etapa se construirá el modelo del quemador, prestando especial atención a las mallas y al flujo de aire. Posteriormente se añadirá la fase líquida, para incluir la generación de gotas y su evaporación. Finalmente, a partir de una serie de casos se evaluará el campo de velocidades, temperaturas y concentración local de combustible. Se empleará el software Paraview para el procesamiento y visualización de los resultados obtenidos.

[EN] The development of gas turbines in recent years has focused on improving the efficiency of the cycle, but always seeking to reduce pollutant emissions. With these objectives in mind, new injection strategies are born, such as Lean Direct Injection (LDI), which is the focus of this work. LDI burners are characterized by having a component that strongly vortexes the air entering the combustion chamber, where the fuel is injected in liquid form at a point very close to the lean burner flame extinction point. In this context, the use of computational fluid dynamics (CFD) tools allows both qualitative and quantitative study of the processes occurring in these burners. CFD offers an inexpensive and relatively fast approach that is critical for LDI technologies, since the operating success is highly dependent on the level of turbulence achieved near the injection zone, and consequently, the quality of the mixture. The motivation of this study stems from the future creation of a model to be implemented in the Department of Thermal Engines and Machines (DMMT) of the UPV, with the aim of characterizing the behavior of new synthetic fuels in the conditions of a gas turbine. The results throughout this study are verified and agree with the experimental results obtained from the CORIA study model, installed at the institution of the same name, located in France.