Treball doctoral sobre l’aplicació de la modelització de la combustió turbulenta en models de combustors de motors d’aviació

En la transició cap a tecnologies de zero emissions de carboni, es preveu que la combustió turbulenta mantingui un paper important en diverses aplicacions. En el cas de la indústria de l’aviació, s’espera un ús ampli de biocombustibles i combustibles basats en l’hidrogen en les properes dècades, mentre que les regulacions relatives a les emissions de contaminants no CO2 es tornen més estrictes. Aquesta transició implica tant l'evolució gradual de les tecnologies de combustió existents com l'exploració de nous conceptes revolucionaris. L’aplicació de la tècnica de ‘large-eddy simulation’ per simular aquests sistemes de combustió proporciona informació valuosa dels fenòmens dinàmics complexos, com l’estabilitat de la flama i la formació de contaminants, convertint-se cada vegada en una part més important del procés de desenvolupament del motor. Aquest tipus de simulacions d’alta fidelitat segueixen encara en desenvolupament, buscant millorar la seva fiabilitat i explorant les seves limitacions, tenint en compte la complexitat dels recursos de computació d'alt rendiment disponibles. Aquesta tesi presenta el desenvolupament d'eines computacionals per l'estudi de fluxos reactius multifàsica i la seva aplicació en models de combustors de motors d'aviació.

En concret, aquest estudi aplica mètodes de química tabulada per a la modelització de la combustió, que permeten la representació de fenòmens químics complexos, al mateix temps que mantenen un cost computacional factible. Les gotes de combustible líquid són modelades de manera Lagrangiana, donant una representació intuïtiva dels esprais. Eines computacionals són creades per facilitar el càlcul i la tabulació de ‘flamelets’ d'una manera senzilla, i per augmentar la confiança en els models d'evaporació de gotes. Al mateix temps, un mètode de simulació de alta fidelitat s'implementa en el codi de simulació multifísica Alya, utilitzant els diversos elements de codi preexistents i aprofitant els esforços d’un gran equip de programadors. En concret, el mòdul de Navier-Stokes de baixa dissipació d'Alya s'adapta aquí a fluxos de densitat variable en condicions de baix número de Mach. Aquest codi està acoblat amb taules termoquímiques en un nou marc de treball.

Els codis desenvolupades en aquest treball s'utilitzen per analitzar el comportament de gotes, i per explorar ‘flamelets’ estables i evolutius, així com la seva aplicabilitat a la tabulació química. El nou marc de treball d'Alya s'ha validat àmpliament i s'ha utilitzat en l'anàlisi de mètodes de tabulació química. El procés de combustió turbulent en motors d'aviació ha estat estudiat amb el mètode desenvolupat a pressió atmosfèrica. El fenomen d'estabilització de la flama s'ha analitzat en un cremador pre-mesclat d'hidrogen que s'apropa a les condicions de retrocés de flama. Aquesta flama d'hidrogen turbulent s'ha estudiat tan assumint una pre-mescla perfecta com considerant estratificacions de fracció de mescla. Posteriorment, s'ha estudiat el cremador de Cambridge tipus ‘swirl bluff-body’, en diferents condicions. S'han simulat una flama de metà no pre-mesclat i dues flames de pulverització utilitzant combustibles de n-heptà i n-dodecà, estudiant l'extinció localitzada amb detall. La predicció d'aquest efecte de química de taxa finita és una tasca difícil per als mètodes de tabulació química aplicats, però s'obté una idea sobre l'aplicabilitat de diferents mètodes i sobre l'efecte del comportament del combustible líquid.

En general, el mètode d'elements finits de baixa dissipació implementat és capaç de predir fenòmens de combustió complexos, malgrat la simplicitat dels mètodes de tabulació química. El treball presentat s'ha publicat en dos articles de revistes revisades per experts i en diverses contribucions a conferències. El marc de simulació desenvolupat permetrà ampliar l’estudi de sistemes de combustió industrialment rellevants utilitzant recursos de computació d'alt rendiment.