Optimización numérica de la geometría de los orificios de dilución de una cámara de combustión

Abstract

RESUMEN: El diseño de una cámara de combustión es un proceso complejo, el cual demanda experiencia obtenida en diseños previos, así como también, un amplio conocimiento en distintas disciplinas, y, sobre todo, una gran cantidad de tiempo. Esto es debido a que no se conoce, en la actualidad, una metodología clara y precisa de diseño de cámaras de combustión. Es por eso que se ha visto un incremento en el estudio de las zonas que compone una cámara de combustión, por un lado, para encontrar una metodología precisa, y por otro lado para conocer la influencia de cada uno de los parámetros de dicha zona. El objetivo de esta investigación es obtener un diseño óptimo para la zona de dilución de una cámara de combustión, a través de la variación de los parámetros de los orificios de la zona, de tal forma que se conozca la influencia de dichos parámetros. El estudio se realizó de forma numérica. Los parámetros seleccionados para su estudio fueron: Caídas de presión provocadas por los generadores de vórtices (el rango analizado fue del 3-7% de la presión total de entrada), variación del ángulo entrada de flujo secundario (30°, 45°, 60° y 90°), variación del diámetro de los orificios de dilución (reducción del diámetro hasta el 50% del diámetro inicial) y la variación de la geometría del orificio (entre un orificio circular y un orificio elíptico)). El mallado del dominio se hizo por medio del software HEXPRESS7.2 de NUMECA y su correspondiente análisis en FINE/Open with OpenLabs7.2 con el modelo de turbulencia K-E. El parámetro que caracteriza el fenómeno de mezclado es la relación de momentum, el cual se encontró que aumenta a medida que la caída de presión y provocada por el generador de vórtices aumenta. De igual forma, el incremento de la relación de momentum se tiene una profundidad de incorporación del flujo secundario mayor. También se encontró que existe un bloqueo al flujo principal en la zona de incorporación del flujo secundario, lo cual provoca que se produzca un aumento de la presión en dicha zona. El ángulo óptimo encontrado fue de 90°. Para el caso de la variación de los diámetros de los orificios de dilución, no se encontró variación en la relación de momentum y, por lo tanto, de igual forma no se observó cambios en la profundidad de penetración. La variación se observó en los contornos de temperatura, de tal forma que al aumentar el número de orificios por fila (al reducir el diámetro del orificio), se observó una mayor uniformidad en los contornos de temperatura y reduciendo de esta forma, el factor de distribución de temperaturas (pattern factor). Otro fenómeno observado fue que a medida que el número de orificios incrementaba, reduciendo el espaciado entre cada orificio, las líneas de corriente, provenientes de cada orificio, se encontraban provocando una disminución de la velocidad del chorro y por consiguiente una disminución de la penetración. Para el caso de la variación de la geometría, el fenómeno observado fue la distorsión de los contornos de temperatura a la salida de la cámara de combustión.

ABSTRACT: Designing a combustión chamber is a complex process, which demends experience obtained from previous designs, as well as wide knowledge from different disciplines and specially a large amount of time. This is because there isn’t in the actuality a clear and precise methodology for designing a combustión chambers. Because of the mentioned above there is an increase in the research of the zones that integrate the combustión chamber, for one side to find a complete methodology and in the other side to know the influence of each parameter of the zone mentioned. The aim of this investigation is to obrain the optimal design for the dilution zone of a combustión chamber through the variation of the parameters of the holes from a dilution zone in such way that it can be recognized the influence of the parameters mentioned. The analysis was made in a numerical way. The selected parameters to be analyzed are the pressure drop caused by the swirlers (in a range of 3-7% of the total pressure in the inlet), variation of the angle of entry of the secondary Flow (30°, 45°, 60° and 90°), variation of the diameter of dilution holes ( reducing up the 50% of the initial diameter) and the variation of the geometry of dulution holes ( between circular and elliptical geometry). The mesh of the domain was made by the software HEXPRESS7.2 by NUMECA and the analysis in FINE/Open with OpenLabs7.2, with the modelo of turbulence K-E. The main parameter that characterizes the mixed phenomenon is the momentum flux ratio, which increases as the pressure drop caused by the swirlers increases. In a similar way, with the increase of the momentum flux ratio it can be seen a great Depth of penetration of the secondary Flow. In addition, it was found that exist a blockage to the main Flow in the zones where there are an incorportation of the secondary Flow, which cause an increase in the pressure in the same zone. The optimal angle founded was 90°. For the case of the variation of dilution hole diameters, it wasn’t found a change in the momentum flux ratio thus, in a similar way, it wasn’t found changes in the depth of penetration . The changes founded was in the temperatura contours, in a way that as the numbers of holes in a row (reducing the diameter of the hole) it can be observed that enhance the uniformity of the temperatura contours and reducing for that the pattern factor. Another observed phenomenon was that as the numbers of holes increase, reducing the space among them, it was found a decrease of the velocity of the jet and consequently a decrease of the depth of penetration. With the case of the variation of the geometry of dilution holes, it was found that enhances the distortion of the contours of temperatura in the outlet of the combustion chamber.