Numerical Analysis of the Cambridge Spray Swirl Burner Fueled with Different Fuels

Abstract

[ES] El problema de la contaminación ha alcanzado dimensiones globales y todos los gobiernos deben afrontar sus consecuencias. El sector del transporte es uno de los sectores dominantes en el que se investigan nuevas tecnologías para reducir las emisiones de contaminantes y gases de efecto invernadero. El sector aeroespacial también está inmerso en esta tarea, entre las alternativas se encuentran los SAF (Sustainable Aviation Fuels).

El impacto de las propiedades físicas y químicas inusuales de los SAF puede afectar profundamente el rendimiento y la operatividad de los motores, por ejemplo, en términos de reencendido en altitud, blow-off y arranque en frío. La herramienta CFD (Computational Fluid Dynamics) es una herramienta imprescindible para realizar estas investigaciones. En este estudio se revisa una cámara de combustión con swirl que ha sido previamente estudiado por la Universidad de Cambridge con diferentes combustibles para analizar sus características mediante una simulación URANS (Unsteady Reynolds-Averged Navier-Stokes) en OpenFOAM.

Con este objetivo, se realizan diferentes simulaciones: dos con gas frío y tres reactivas con heptano. Las simulaciones de gas frío han sido validadas con éxito con los resultados experimentales del repositorio oficial de Cambridge. La primera simulación de heptano se realiza con una reacción química de un solo paso, útil como estudio preliminar para los mecanismos químicos. Se prueban dos mecanismos, uno con 52 especies y el otro con 37 especies. En comparación con los resultados experimentales, el primero ha conseguido representar la llama de forma cualitativa pero aparece el fenómeno de lift-off. El segundo mecanismo no es válido ya que la llama se apagó al iniciar la simulación. Este proyecto deja clara la necesidad de seguir investigando los límites y características de la combustión para desarrollar métodos numéricos y avanzar hacia un futuro más sostenible en el campo de los motores.

[EN] The pollution problem has reached global dimensions and all governments must face its consequences. The transport sector is one of the dominant sectors in which new technologies are being investigated to reduce the emissions of pollutants and greenhouse gases. The aerospace sector is also immersed in this task, among the alternatives are SAFs (Sustainable Aviation Fuels).

The impact of unusual physical and chemical properties of SAFs may deeply affect the performance and operability of engines, e.g., in terms of altitude relight, lean blow-off, and cold start. The CFD (Computational Fluid Dynamics) tool is an essential tool to carry out these investigations. In this study, a Swirl Burner that has been previously studied by Cambridge University with different fuels is reviewed to analyse their characteristics using a URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes) simulation in OpenFOAM.

With this objective, different simulations are carried out: two cold gas and three reactive with heptane. The cold gas simulations have been successfully validated with experimental results from the official Cambridge repository. The first heptane simulation is made with a single-step chemical reaction, useful as a preliminary study for the ones with the chemical mechanisms. Two mechanisms are tested out one with 52 species and the other with 37 species. When compared with the experimental results, the first has managed to represent the flame in a qualitative way but the lift-off phenomenon appears. The second mechanism is not valid since the flame was extinguished when the simulation started. This project makes clear the need to continue investigating the limits and characteristics of combustion to develop numerical methods and move towards a more sustainable future in the field of engines.

[CA] El problema de la contaminació ha aconseguit dimensions globals i tots els governs han d'afrontar les seues conseqüències. El sector del transport és un dels sectors dominants en el qual s'investiguen noves tecnologies per a reduir les emissions de contaminants i gasos d'efecte d'hivernacle. El sector aeroespacial també està immers en esta tasca, entre les alternatives es troben els SAF (Sustainable Aviation Fuels). L'impacte de les propietats físiques i químiques inusuals dels SAF pot afectar profundament el rendiment i l'operativitat dels motors, per exemple, en termes de reencesa en altitud, blow-off i arrancada en fred. L'eina CFD (Computational Fluïu Dynamics) és una eina imprescindible per a realitzar estes investigacions. En este estudi es revisa una cambra de combustió amb swirl que ha sigut prèviament estudiat per la Universitat de Cambridge amb diferents combustibles per a analitzar les seues característiques mitjançant una simulació URANS (Unsteady Reynolds-Averged Navier-Stokes) en OpenFOAM. Amb este objectiu, es realitzen diferents simulacions: dos amb gas fred i tres reactives amb heptano. Les simulacions de gas fred han sigut validades amb èxit amb els resultats experimentals del repositori oficial de Cambridge. La primera simulació de heptano es realitza amb una reacció química d'un sol pas, útil com a estudi preliminar per als mecanismes químics. Es proven dos mecanismes, un amb 52 espècies i l'altre amb 37 espècies. En comparació amb els resultats experimentals, el primer ha aconseguit representar la flama de manera qualitativa però apareix el fenomen de lift-off. El segon mecanisme no és vàlid ja que la flama es va apagar en iniciar la simulació. Este projecte deixa clara la necessitat de continuar investigant els límits i característiques de la combustió per a desenvolupar mètodes numèrics i avançar cap a un futur més sostenible en el camp dels motors.