Trabajo doctoral sobre la aplicación de la modelización de la combustión turbulenta en modelos de quemadores de motores de aviación

En la transición hacia tecnologías de cero emisiones de carbono, se prevé que la combustión turbulenta mantenga un papel importante en diversas aplicaciones. En el caso de la industria de la aviación, se espera un uso amplio de biocombustibles y combustibles basados en hidrógeno en las próximas décadas, mientras las regulaciones relacionadas con las emisiones de contaminantes no CO2 se vuelven más estrictas. Esta transición implica tanto la evolución gradual de las tecnologías de combustión existentes como la exploración de nuevos conceptos revolucionarios. La aplicación de la técnica de 'large-eddy simulation' para simular estos sistemas de combustión proporciona información valiosa sobre los fenómenos dinámicos complejos, como la estabilidad de la llama y la formación de contaminantes, convirtiéndose cada vez más en una parte importante del proceso de desarrollo del motor. Este tipo de simulaciones de alta fidelidad aún se encuentran en desarrollo, buscando mejorar su fiabilidad y explorando sus limitaciones, teniendo en cuenta la complejidad de los recursos de computación de alto rendimiento disponibles. Esta tesis presenta el desarrollo de herramientas computacionales para el estudio de flujos reactivos multifásicos y su aplicación en modelos de quemadores de motores de aviación.

En concreto, este estudio aplica métodos de química tabulada para la modelización de la combustión, que permiten la representación de fenómenos químicos complejos, al mismo tiempo que mantienen un coste computacional factible. Las gotas de combustible líquido se modelan de manera Lagrangiana, dando una representación intuitiva de los sprays. Se crean herramientas computacionales para facilitar el cálculo y la tabulación de 'flamelets' de manera sencilla, y para aumentar la confianza en los modelos de evaporación de gotas. Al mismo tiempo, se implementa un método de simulación de alta fidelidad en el código de simulación multifísica Alya, utilizando los diversos elementos de código preexistentes y aprovechando los esfuerzos de un gran equipo de programadores. En concreto, el módulo de Navier-Stokes de baja disipación de Alya se adapta aquí a flujos de densidad variable en condiciones de bajo número de Mach. Este código está acoplado con tablas termoquímicas en un nuevo marco de trabajo.

Los códigos desarrollados en este trabajo se utilizan para analizar el comportamiento de gotas y explorar flamelets estables y evolutivos, así como su aplicabilidad en la tabulación química. El nuevo marco de trabajo de Alya ha sido ampliamente validado y se ha utilizado en el análisis de métodos de tabulación química. El proceso de combustión turbulenta en motores de aviación se ha estudiado con el método desarrollado a presión atmosférica. El fenómeno de estabilización de la llama se ha analizado en un quemador premezclado de hidrógeno que se acerca a las condiciones de retroceso de llama. Esta llama de hidrógeno turbulenta se ha estudiado tanto asumiendo una premezcla perfecta como considerando estratificaciones de fracción de mezcla. Posteriormente, se ha estudiado el quemador de Cambridge tipo 'swirl bluff-body' en diferentes condiciones. Se han simulado una llama de metano no premezclado y dos llamas de pulverización utilizando combustibles de n-heptano y n-dodecano, estudiando la extinción localizada con detalle. La predicción de este efecto de química de tasa finita es una tarea difícil para los métodos de tabulación química aplicados, pero se obtiene una idea sobre la aplicabilidad de diferentes métodos y el efecto del comportamiento del combustible líquido.

En general, el método de elementos finitos de baja disipación implementado es capaz de predecir fenómenos de combustión complejos, a pesar de la simplicidad de los métodos de tabulación química. El trabajo presentado se ha publicado en dos artículos de revistas revisadas por expertos y en diversas contribuciones a conferencias. El marco de simulación desarrollado permitirá ampliar el estudio de sistemas de combustión industrialmente relevantes utilizando recursos de computación de alto rendimiento.