Universidad de Valladolid. Valladolid (España)
17 de enero de 2017
Resumen:
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.
Cita:
J.R. Pérez-Domínguez (2017), Aerodinámica, Turbulencia y Combustión no Premezclada en Quemadores de Flujo Rotante. Valladolid (España).
