Estudio computacional acerca de la influencia del uso de combustibles sostenibles de aviación (SAF) en un atomizador pressure-swirl mediante simulaciones VOF-LES con procesado de la curvatura de la interfaz líquido-gas

Abstract

[ES] Desde la implementación de los motores aero-derivados en la industria aeronáutica se han implementado distintos combustibles en su uso. En la actualidad los combustibles fósiles son los más utilizados en la industria aeronáutica mundial, produciendo una huella de carbono y contaminación considerable. Sin embargo, la implementación de nuevos combustibles como los Combustibles de Aviación Sostenibles , también conocidos como SAF , puede ayudar a reducir el impacto medioambiental que supone la combustión de un motor aeronáutico. Estos combustibles se producen a través de residuos sólidos de hogares, o de materias primas que son sostenibles como pueden ser aceites de uso doméstico y grasas animales, produciendo así que la huella de carbono del combustible se reduzca en un 80 %. En el desarrollo de este TFG se va a realizar el modelado de simulaciones CFD de inyección de combustible líquido en atmósfera gaseosa (aire) mediante un atomizador pressure-swirl, para la comparación de la atomización entre combustibles convencionales, como puede ser el queroseno o el heptano, y combustibles sostenibles. Dicho estudio se ha realizado a través del software libre OpenFOAM®, en el que se han llevado a cabo las simulaciones. La metodología aplicada en la resolución del caso ha sido el enfoque Euleriano VOF (del inglés Volumen Of Fluids ). El marco para el modelado de la turbulencia utilizado ha sido LES (del inglés Large Eddy Simulation ). Además, se va a evaluar el tipo de mallado más representativo para el estudio de los combustibles, cuantificando la resolución obtenida frente al coste económico y computacional que suponen. Se han aplicado herramientas de mallado que permiten realizar refinamientos en las zonas de mayor interés de forma automática, conocidas como AMR (del inglés Adaptative Mesh Refinement ). Por último, se aplican herramientas de post-procesado que permiten reconstruir las características (tamaños y velocidades) de las estructuras de líquido atomizado (ligamentos y gotas) a partir del análisis de la curvatura de la interfaz líquido-gas. Estas herramientas suponen la base para la comparación del nivel de atomización de los distintos combustibles simulados.

[EN] Since the implementation of aero-derivative engines in the aerospace industry, various fuels have been used. Currently, fossil fuels are the most widely used in the global aerospace industry, resulting in a significant carbon footprint and pollution. However, the adoption of new fuels such as Sustainable Aviation Fuels (SAF) can help reduce the environmental impact of aircraft engine combustion. These fuels are produced from household solid waste or sustainable raw materials such as used cooking oils and animal fats, thus reducing the carbon footprint of the fuel by up to 80 %. In this undergraduate thesis (TFG), computational fluid dynamics (CFD) simulations will be conducted to model liquid fuel injection into a gaseous atmosphere (air) using a pressure-swirl atomizer. The aim is to compare atomization between conventional fuels such as kerosene or heptane and sustainable fuels. This study was conducted using the open-source software OpenFOAM®, which enables computational simulations. The methodology used to solve the case was the Eulerian VOF (Volume of Fluids) approach, while the framework for modeling turbulence was LES (Large Eddy Simulation). Additionally, the most suitable mesh type for fuel study will be evaluated, considering the resolution obtained versus the associated economic and computational costs. Meshing tools allowing automatic refinements in areas of interest, known as Adaptive Mesh Refinement (AMR), have been applied. Finally, post-processing tools will be employed to reconstruct the characteristics (sizes and velocities) of atomized liquid structures (ligaments and droplets) based on the curvature analysis of the liquid-gas interface. These tools are essential for comparing the level of atomization of the different simulated fuels.

[CA] Des de la implementació dels motors aero-derivats en la indústria aeronàutica s’han emprat diversos combustibles en el seu ús. En l’actualitat els combustibles fòssils són els més uti litzats en la indústria aeronàutica mundial, produint una empremta de carboni i contaminació considerable. No obstant això, la implementació de nous combustibles com els ’Combustibles d’Aviació Sostenibles’, també coneguts com a ’SAF’, pot ajudar a reduir l’impacte mediam biental que suposa la combustió d’un motor aeronàutic. Aquests combustibles es produeixen a través de residus sòlids de llars, o de matèries primeres que són sostenibles com poden ser olis d’ús domèstic i greixos animals, produint així que l’empremta de carboni del combustible es redueixi en un 80%. En el desenvolupament d’aquest TFG es durà a terme el modelat de simulacions CFD d’injecció de combustible líquid en atmosfera gasosa (aire) mitjançant un atomitzador pressure swirl, per a la comparació de l’atomització entre combustibles convencionals, com pot ser el querosè o l’heptà, i combustibles sostenibles. Aquest estudi s’ha realitzat a través del programari lliure OpenFOAM®, en el qual s’han dut a terme les simulacions. La metodologia aplicada en la resolució del cas ha estat l’enfocament Eulerià VOF (del anglés ’Volum Of Fluids’). El marc per al modelat de la turbulència uti litzat ha estat LES (del anglés ’Large Eddy Simulation’). A més, s’avaluarà el tipus de mallat més representatiu per a l’estudi dels combustibles, quantificant la resolució obtinguda front al cost econòmic i computacional que suposen. S’han aplicat eines de mallat que permeten realitzar refinaments en les zones de major interès de forma automàtica, conegudes com AMR (del anglés ’Adaptative Mesh Refinement’). Finalment, s’apliquen eines de post-processat que permeten reconstruir les característiques (mides i velocitats) de les estructures de líquid atomitzat (ligaments i gotes) a partir de l’anàlisi de la curvatura de la interfície líquid-gas. Aquestes eines suposen la base per a la comparació del nivell d’atomització dels diferents combustibles simulats