CFD-based study of hydrogen injection in swirling aeronautic combustion chambers

Abstract

[ES] A medida que la normativa ambiental refuerza su control sobre la industria de la movilidad, la búsqueda de alternativas más limpias, en particular la combustión de hidrógeno, cobra impulso. Los motores aeronáuticos, conocidos por sus exigentes condiciones operativas, presentan un formidable desafío de ingeniería en la transición a fuentes de energía sostenibles. Esta tesis utiliza dinámica de fluidos computacional, específicamente con el software CONVERGE, para examinar la dinámica de flujo en frío de cámaras de combustión aeronáuticas alimentadas con hidrógeno utilizando las ecuaciones de Navier-Stokes a través de un promedio de Reynolds (RANS) y simulación de grandes remolinos (LES). Un hallazgo clave destaca el mal funcionamiento de los dispositivos que inducen turbulencias en condiciones operativas específicas, cruciales para mejorar el rendimiento de la cámara de combustión. Significativamente, el enfoque RANS resulta inadecuado para capturar oscilaciones de mayor frecuencia inducidas por estos "remolinos" dentro de estructuras turbulentas, lo que revela una compensación entre un mayor costo computacional y la confiabilidad de la simulación. Esta investigación profundiza en los desafíos y oportunidades asociados con la adopción del hidrógeno en motores aeronáuticos, abordando las complejidades matizadas de los sistemas de propulsión sostenibles en este contexto.

[EN] As environmental regulations tighten their grip on the mobility industry, the pursuit of cleaner alternatives, particularly hydrogen combustion, gains momentum. Aeronautical engines, known for their demanding operational conditions, present a formidable engineering challenge in transitioning to sustainable energy sources. This thesis utilizes Computational Fluid Dynamics, specifically with the CONVERGE software, to examine the cold-flow dynamics of hydrogen-fueled aeronautical combustion chambers using Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) approaches. A key finding highlights the malfunctioning of swirl-inducing devices in specific operating conditions, crucial for enhancing combustion chamber performance. Significantly, the RANS approach proves inadequate in capturing higher-frequency oscillations induced by these "swirlers" within turbulent structures, revealing a trade-off between increased computational cost and simulation reliability. This research delves into the challenges and opportunities associated with adopting hydrogen combustion in aeronautical engines, addressing the nuanced complexities of sustainable propulsion systems in this context.