Universidad de Valladolid. Valladolid (Spain)
January 17th, 2017
Original summary:
Los quemadores de flujo rotante juegan un papel fundamental en la industria y en concreto en las turbinas de gas, ya que permiten la estabilización de la llama con dosados pobres, lo que haría factible disminuir las emisiones de NOx y el consumo de combustible. Además, producen poca pérdida de carga y hollín lo que reduce las tareas de mantenimiento. A pesar de ser una de las configuraciones más empleadas por su sencillez y seguridad, actualmente, no existe una clara metodología ni para la simulación ni para la validación de la combustión no premezclada en flujos turbulentos, lo que resalta el carácter innovador de este trabajo.
Esta tesis, la primera de la línea de investigación de quemadores de flujo rotante del grupo de mecánica de fluidos de la Universidad de Valladolid, recoge los trabajos realizados acerca de la aerodinámica, turbulencia y combustión no premezclada en este tipo de quemadores. El objetivo principal es establecer las bases y la metodología de trabajos futuros en el modelado numérico, isotermo o reactivo, mediante RANS o LES en estos quemadores.
Se ha realizado una revisión bibliográfica de los aspectos más importantes de la combustión y del análisis de flujos reactivos, centrándose principalmente en combustión no premezclada, estabilización de la llama, flujos rotantes y las herramientas de simulación existentes.
Primero, se han desarrollado y validado modelos CFD isotermos mediante RANS, con un código comercial (Ansys Fluent) y uno libre (OpenFOAM) de un quemador de flujo rotante. Se han empleado dichos modelos para diseñar dos generadores de swirl, uno más sencillo, de placas planas y otro más complejo, de aletas curvas, con menor pérdida de carga. Se han estudiado, en el quemador de flujo rotante, la estructura aerodinámica y el mezclado. Adicionalmente se evalúa la influencia en el flujo del número de swirl así como el efecto en éste de incluir un difusor cónico. Se han encontrado dificultades al tratar de validar modelos de flujo rotante, debido a la heterogeneidad en la literatura en la evaluación del número de swirl. Los modelos RANS analizados no predicen adecuadamente la anisotropía de las zonas de recirculación y la existencia de inestabilidades o fenómenos transitorios como el PVC.
Posteriormente, con el objeto obtener una predicción más precisa del flujo, se ha realizado un análisis isotermo transitorio mediante técnicas numéricas novedosas en simulaciones de grandes remolinos (ILES SSD). Una pequeña estructura de vórtices, asociada a números de swirl bajos y medios, relacionada con las inestabilidades de Couette-Taylor, ha sido descubierta gracias a la resolución de las grandes escalas en simulaciones LES. Los modelos LES han permitido determinar que el PVC gira alrededor del eje con un número de Strouhal de 2.83 aproximadamente. Además, se ha podido realizar un análisis POD, caracterizar el espectro de energía y determinar la estructura de los vórtices.
Por último, se han desarrollado varios modelos CFD de combustión mediante RANS, desde los más sencillos en el que la combustión viene determinada por el mezclado, métodos estadísticos, hasta métodos semidetallados. Se comparan los resultados frente a la temperatura adiabática de llama, obtenida con un mecanismo de reacción GRI-Mech 3.0. Se determina que el modelo de combustión PDF proporciona el mejor ajuste.
Las tendencias generales, relativas a la estructura del flujo, indican que el aumento del número de swirl, incrementa la zona de recirculación interior (IRZ) y reduce tanto la zona de recirculación exterior (ORZ) como el espesor de llama. Se deduce que el uso de difusores cónicos minimiza o elimina la ORZ. Adicionalmente, se encuentra un semiángulo de difusor intermedio que optimiza el mezclado. Se detecta una reducción del número de swirl, situada entre un 10% y un 27%, en caso de tener flujo reactivo, debido a la expansión de los productos de combustión y al precalentado del aire de la tobera exterior.
English summary:
Swirl burners play a key role in industry and specifically in gas turbines because they allow flame stabilization with a lean fuel-air equivalence ratio, what would make possible to reduce NOx emissions and fuel consumption. Furthermore, they produce low pressure drop and soot levels, what reduces maintenance tasks. Despite being one of the most used configurations because of its simplicity and safety, currently, there is no clear methodology neither for simulation nor for validation of non-premixed combustion in turbulent flows, which highlights the innovative nature of this work.
This thesis is the first of the line of research about combustion in swirling flows in burners of fluid mechanics group at the University of Valladolid. This work collects the research done on aerodynamics, turbulence and non-premixed combustion in swirl burners. The main aim is to lay the foundations and methodology for future work on numeric, isothermal or reactive modelling, using RANS or LES in these burners.
A literature review of the most important aspects of combustion and analysis of reactive flows has been conducted, focusing mainly on non-premixed combustion, flame stabilization, swirling flows and existing simulation tools.
Firstly, isothermal CFD models have been developed and validated using RANS, with a commercial code (Ansys Fluent) and one free code (OpenFOAM) of a swirl burner. These models have been used to design two swirl generators, one simpler, with flat plates and another, more complex, of curved vanes with lower pressure drop. Aerodynamic structure and mixing in the swirl burner have been studied. Additionally, the influence on the flow of the swirl number is evaluated, as well as the effect of including a conical diffuser. Difficulties have been encountered in trying to validate swirling flows models due to heterogeneity in the literature assessing the swirl number. The analysed RANS models fail to adequately predict the anisotropy of the recirculation zones and the existence of instabilities or transient phenomena such as PVC.
Subsequently, in order to get a more accurate prediction of flow, an isothermal transient analysis has been performed through novel numerical techniques in large eddy simulations (ILES SSD). A small vortex structure, associated with low and medium swirl numbers, which is related with Couette-Taylor instabilities, has been discovered by the resolution of large scales in LES. LES models have established that the PVC rotates about the axis with a Strouhal number of about 2.83. Furthermore, a POD analysis has been performed, the energy spectrum characterized and the structure of the vortices determined.
Finally, several CFD combustion models have been developed by RANS techniques, from the simplest in which combustion is determined by mixing, statistical methods, to semi-detailed methods. The results are compared to the adiabatic flame temperature, which is obtained with a GRI-Mech 3.0 reaction mechanism. It is determined that the PDF combustion model provides the best fit.
General trends regarding the flow structure indicate that if swirl number increases, the internal recirculation zone (IRZ) rises, and the outer recirculation zone (ORZ) and flame thickness decrease. The use of conical diffusers minimizes or eliminates the ORZ. Additionally, an intermediate angle of diffuser, which optimizes mixing, has been found. A reduction of the swirl number has been detected, between 10% and 27%, in the case of reactant flow, due to the expansion of the combustion products and preheated air of the outer nozzle.
Citation:
J.R. Pérez-Domínguez (2017), Aerodinámica, Turbulencia y Combustión no Premezclada en Quemadores de Flujo Rotante. Valladolid (Spain).
