Estudio de la atomización primaria y la distribución de gotas en atomizadores de turbinas de gas de tipo "pressure-swirl" por medio de simulaciones "Direct Numerical Simulation".

Abstract

[ES] La optimización del proceso de inyección de combustibles líquidos sigue siendo un aspecto clave para mejorar la eficiencia y reducir el nivel de emisiones contaminantes en aplicaciones que todavía requiren de procesos de combustión. El presente trabajo pretende caracterizar cómo es el fenómeno de atomización primaria en un atomizador de tipo pressure-swirl, cuyo uso es característico en turbinas de gas aeronáuticas, bajo una condición de operación propia de un quemador académico. Para ello, se utilizan simulaciones de alta resolución de tipo DNS (Direct Numerical Simulation) en las que se modela los primeros milímetros del chorro, donde ocurre la rotura del líquido inyectado, mediante un código que utiliza técnicas AMR (Adaptive Mesh Refinement), manteniendo así el nivel de resolución en un dominio suficientemente grande. Todos los pasos necesarios para la consecución de los resultados quedan totalmente descritos. En cuanto al preprocesado, se explica la geometría estudiada, la selección del dominio y la malla a utilizar, las condiciones de contorno impuestas (con especial énfasis en las condiciones de entrada del flujo que se extraen directamente de una simulación del flujo interno del propio atomizador), y los principales parámetros de cálculo de la simulación. Una vez realizado el cálculo, se aplican técnicas de procesado tanto a nivel de visualización (cualitativo) como de cálculo de parámetros y estadístico (cuantitativo) que permiten caracterizar la población de gotas generada por el inyector estudiado, así como compararla con estudios previos a modo de validación. La investigación aquí desarrollada demuestra que es posible representar fielmente el campo cercano del chorro en este tipo de atomizadores a través de simulaciones DNS, obteniendo tendencias similares a los datos experimentales, y que, utilizando la información que proporcionan estos cálculos en las zonas donde las medidas experimentales no son posibles, es posible mejorar la comprensión del proceso de atomización en este tipo de inyectores.

[EN] Optimisation of liquid fuels injection is still a key aspect to improve the efficiency and reduce pollutants formation and emissions in applications still-dependent on combustion processes. The present work aims at characterising the primary atomization phenomenon in a pressure-swirl atomizer, used in aeronautical gas turbines, for an operating condition typical of an academic burner. To achieve that, high-fidelity DNS (Direct Numerical Simulation) simulations have been used to model the first milimeters of the spray, where the liquid fuel breakup takes place, through an AMR (Adaptive Mesh Refinement) code, which makes possible to keep a high level of resolution in a computational domain big enough. All the steps that lead to the results achievement are fully described. Begining with the preprocessing stage, the atomizer geometry is explained, as well as the computational domain and mesh used, the imposed boundary conditions (emphasising the inflow conditions that are dynamically mapped from a internal flow solution of the same atomizer) and the main simulation parameters. Once the computation is done, postprocessing tasks are applied both from visualization (qualitative) and parameter and satistical computation (quantitative) standpoints that make it possible to characterise the droplet population and compare it with previous studies with validation purposes. This investigation proves that it is feasible to faithfully model the near field of the spray produced by a pressure-swirl atomizer through DNS simulations, getting similar trends to those of the experimental results, and that, using the computational information of areas where experimental measurements are not possible, it is possible to improve the comprehension of the atomization process in this kind of nozzles.