Numerical characterization of the spray produced in a simplex atomizer through VOF-LES simulations

Abstract

[ES] Las simulaciones numéricas de inyectores simplex pueden contribuir a mejorar su diseño para reducir las emisiones de CO2 y NOx. En particular, las simulaciones de flujo bifásico de atomizadores simplex permiten caracterizar la atomización obteniendo los tamaños y velocidades característicos de las gotas.

El presente TFM aborda la resolución del campo cercano del spray producido por el atomizador simplex instalado en el quemador CORIA Rouen Spray Burner (CRSB) para una condición de referencia (n-heptano a presión y temperatura ambiente). El enfoque empleado en la resolución del problema es el método Volume Of Fluid - Large Eddy Simulation (VOF-LES). Las simulaciones se llevan a cabo con el solver interIsoFoam del software de código abierto OpenFOAM.

Además, se van a implementar y comparar dos técnicas de post-procesado para obtener las distribuciones de diámetros y velocidades características de las gotas. La primera de ellas es un algoritmo de detección de gotas que utiliza un umbral de fracción volumétrica de líquido especificado por el usuario. En cambio, la segunda técnica se basa en estimar la curvatura y la superficie de interfase entre el líquido y el gas. Con el fin de validar la metodología computacional, los resultados obtenidos se compararán con resultados experimentales disponibles para dicha condición de operación.

[EN] Numerical simulation on simplex atomizers may contribute to improve their design to reduce CO2 and NOx emissions. Specifically, two-phase flow simulations on simplex atomizers allow to characterize the atomization process by obtaining the characteristic sizes and velocities of the issued droplets.

The present theses proposes the resolution of the near-field of the spray produced by the simplex atomizer installed in the CORIA Rouen Spray Burner (CRSB) for a reference condition (n-heptane at ambient pressure and temperature). The Volume of Fluid-Large Eddy Simulation (VOF-LES) approach is employed. The simulations are carried out with the interIsoFoam solver of the open-source OpenFOAM code.

Besides, two different post-processing techniques are implemented and compared to obtain the diameter and size distributions of the droplets. The first one is a droplet detection algorithm that uses a user-specified liquid volume fraction threshold. On the contrary, the second technique is based on estimating the curvature and surface of the liquid-gas interface. In order to validate the computational methodology, the obtained results are compared to experimental data available for the studied operating condition.