Modelado del proceso de combustión en un quemador gaseoso premezclado mediante dinámica de fluidos computacional

Abstract

[ES] El uso de hidrógeno en quemadores gaseosos 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 mezcla aire-combustible y 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 combustión en un quemador existente en el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos de la UPV. Dicho sistema ha sido diseñado para funcionar con mezclas duales hidrógeno-metano, produciendo una llama en un flujo con un movimiento de rotación (swirl) de la mezcla aire-combustible. El diseño del quemador permite obtener diferentes grados de rotación, lo cual se traducirá en diferentes características de la llama. El objetivo del modelado es evaluar el proceso de combustión en el quemador, así como su relación con las características de rotación del flujo aire-combustible suministrado.

Para ello, se utilizará el software de CFD libre OpenFOAM. Se construirá el modelo del quemador, prestando especial atención a las condiciones de contorno del combustible, así como al mecanismo químico para describir la reacción. Posteriormente, se empleará el software Paraview para el procesamiento y visualización de los resultados obtenidos. Los resultados permitirán evaluar las características esperables en la llama en función de las condiciones de alimentación de la premezcla combustible-aire.

[EN] The use of hydrogen in gas burners is a field of great interest in the current context of seeking technological solutions for decarbonization. Optimizing its performance in terms of efficiency and emissions requires a detailed understanding of the complex phenomena such as air-fuel mixture and chemical reaction in a turbulent flow. The most suitable tool for this is Computational Fluid Dynamics (CFD), which has seen significant advancements in recent decades. This final degree project will model the combustion process in an existing burner at the CMT - Clean Mobility & Thermofluids at UPV using CFD. This system has been designed to operate with hydrogen-methane dual mixtures, producing a flame in a flow with a rotating motion (swirl) of the air-fuel mixture. The burner design allows for different degrees of rotation, resulting in various flame characteristics. The objective of the modeling is to evaluate the combustion process in the burner, as well as its relationship with the characteristics of the supplied air-fuel premix. For this purpose, the open-source CFD software OpenFOAM will be used. The burner model will be constructed, paying special attention to the fuel boundary conditions and the chemical mechanism to describe the reaction. Subsequently, the software Paraview will be used for processing and visualizing the obtained results. The results will allow for the evaluation of the expected flame characteristics based on the feeding conditions of the air-fuel premix.

[CA] L’ús d’hidrogen en cremadors gasosos és un camp de gran interés en el context actual de cerca de solucions tecnològiques per a la descarbonització. L’optimització del seu funciona ment quant a eficiència i emissions requereix un coneixement detallat del flux de fenòmens complexos com la mescla aire-combustible i la reacció química en un flux turbulent. L’eina més adequada per a això és la dinàmica de fluids computacional (CFD), que ha aconseguit un gran desenvolupament en les últimes dècades. El present treball fi de grau durà a terme el modelatge mitjançant CFD del procés de combustió en un cremador existent en el CMT - Clean Mobility & Thermofluids de la UPV. Aquest sistema ha sigut dissenyat per a funcionar amb mescles duals hidrogen-metà, produint una flama en un flux amb un moviment de rotació (swirl) de la mescla aire combustible. El disseny del cremador permet obtenir diferents graus de rotació, la qual cosa es traduirà en diferents característiques de la flama. L’objectiu del modelatge és avaluar el procés de combustió en el cremador, així com la seua relació amb les característiques de la premescla d’aire-combustible subministrat. Per a això, s’utilitzarà el programari de CFD lliure OpenFOAM. Es construirà el model del cremador, prestant especial atenció a les condicions de contorn del combustible, així com al mecanisme químic per a descriure la reacció. Posteriorment, s’emprarà el progra mari Paraview per al processament i visualització dels resultats obtinguts. Els resultats permetran avaluar les característiques esperables en la flama en funció de les condicions d’alimentació de la premescla combustible-aire.