Estudio computacional de la atomización primaria en atomizadores de tipo pressure-swirl mediante simulaciones de tipo LES y DNS.

Abstract

[ES] Desde el inicio del uso de turbinas de gas como en el de los reactores en la aviación moderna se han utilizado distintos modelos de atomizadores, los cuales han ido variando a lo largo del tiempo para obtener una mejor atomización del combustible. Uno de estos atomizadores de los que más se está implementando últimamente, ya sea de manera independiente o como apoyo a atomizadores más complejos como los airblast atomizers ,son los conocidos como atomizadores tipo pressure-swirl o tipo simplex, los cuales introducen el combustible mediante unos canales tangenciales, que gracias a la interacción con el aire, inducen al combustible un movimiento helicoidal que mejora la mezcla del aire con el combustible y el proceso de atomización primaria, lo que deriva en mejor evaporación y mejora del proceso de combustión que acontecen tras la atomización. Los parámetros que más afectan al proceso de atomización, a parte de la geometría misma del atomizador, son las propiedades físicas de los fluidos atomizados y las condiciones de operación (velocidad de inyección, densidad en cámara, etc.). Entre los parámetros físicos más importantes destacan la viscosidad, la densidad y la tensión superficial del combustible. Estas propiedades y las condiciones de operación están estrechamente relacionadas entre sí a través de números adimensionales, en particular, el número de Reynolds, el de Weber y el cociente de densidades combustible/aire. Debido a la importancia que tienen los parámetros adimensionales en el proceso de la atomización del combustible, en este proyecto se ha decidido estudiar el efecto que tiene la variación de uno de estos en la atomización primaria, en particular, el número de Weber. Para esto se han utilizado técnicas de CFD, gracias a las cuales se ha podido simular la atomización de un combustible base, y otro con el número de weber mayor, sin alterar el resto de los parámetros adimensionales, asegurando así que los cambios sufridos en la atomización dependen en exclusiva a la variación del número de Weber.

[EN] From the beginning of the use of gas turbines as well as reactors in modern aviation, different models of atomizers have been used, which have changed over time to achieve better fuel atomization. One of these atomizers that is being implemented the last times at the moment, independently or as a support for more complex atomizers such as airblast atomizers, are the ones called pressure-swirl or simplex atomizers. These introduce the fuel through tangential channels, which, through the interaction with the air, induce a helical movement in the fuel that improves the mixing of air with the fuel and the primary atomization process, leading to better evaporation and improvement of the combustion process that occurs after atomization. The parameters that most affect the atomization process, apart from the atomizer’s geometry itself, are the physical properties of the atomized fluids and the operating conditions (injection velocity, chamber density, etc.). Among the most important physical parameters are the viscosity, density, and surface tension of the fuel. These properties and the operating conditions are closely related through dimensionless numbers, in particular, the Reynolds number, the Weber number, and the fuel/air density ratio. Due to the importance of dimensionless parameters in the fuel atomization process, this project has decided to study the effect of varying one of these parameters on primary atomization, specifically, the Weber number. For this, CFD techniques have been used, which have made it possible to simulate the atomization of a base fuel and another with a higher Weber number, without altering the rest of the dimensionless parameters, thus ensuring that the changes observed in the atomization are exclusively due to the variation of the Weber number

[CA] Des de l’inici de l’ús de turbines de gas com en el dels reactors en l’aviació moderna, s’han utilitzat diferents models d’atomitzadors, els quals han anat variant al llarg del temps per obtenir una millor atomització del combustible. Un d’aquests atomitzadors que més s’està implementant últimament, ja sigui de manera independent o com a suport a atomitzadors més complexos com els airblast atomizers, són els coneguts com atomitzadors tipus pressureswirl o tipus simplex, els quals introdueixen el combustible mitjançant uns canals tangencials, que gràcies a la interacció amb l’aire, indueixen al combustible un moviment helicoïdal que millora la barreja de l’aire amb el combustible i el procés d’atomització primària, el que deriva en millor evaporació i millora del procés de combustió que es produeix després de l’atomització. Els paràmetres que més afecten el procés d’atomització, a part de la geometria mateixa de l’atomitzador, són les propietats físiques dels fluids atomitzats i les condicions d’operació (velocitat d’injecció, densitat a la càmera, etc.). Entre els paràmetres físics més importants destaquen la viscositat, la densitat i la tensió superficial del combustible. Aquestes propietats i les condicions d’operació estan estretament relacionades entre si a través de números adimensionals, en particular, el nombre de Reynolds, el de Weber i el quocient de densitats combustible/aire. Degut a la importància que tenen els paràmetres adimensionals en el procés de l’atomització del combustible, en aquest projecte s’ha decidit estudiar l’efecte que té la variació d’un d’aquests en l’atomització primària, en particular, el nombre de Weber. Per a això s’han utilitzat tècniques de CFD, gràcies a les quals s’ha pogut simular l’atomització d’un combustible base, i un altre amb el nombre de Weber major, sense alterar la resta dels paràmetres adimensionals, assegurant així que els canvis soferts en l’atomització depenen exclusivament de la variació del nombre de Weber