Estudio numérico de llamas de difusión en chorros de combustible con efecto de la gravedad

Abstract

Nuestro proyecto se centra principalmente en la solución numérica de llamas de difusión no forzadas laminares no estacionarias afectadas por la flotabilidad. Pretendemos estudiar el fenómeno periódico de rotura de llama que se produce bajo determinadas condiciones. Este fenómeno es conocido en inglés como 'pinch off' y se ha visto que solo afecta a llamas afectadas por la flotabilidad (gravedad) y depende fuertemente del número de Froude característico del problema. Veremos cómo varían diferentes parámetros en función de número de Froude como la frecuencia de oscilación o rotura de llama, el tamaño de región arrancada, la longitud de llama, forma de llama (estructuras varicosas) entre otras propiedades. Este estudio numérico lo realizaremos ayudándonos del programa comercial Ansys Fluent. Para el procesado de los datos obtenidos de las simulaciones utilizaremos tanto Ansys Fluent como Matlab. La geometría del problema a resolver consiste en la inyección de combustible metano sin diluir en atmósfera en reposo. Se trata por tanto de un problema no confinado. Con llamas no forzadas queremos decir que las condiciones de contorno son estacionarias, en concreto alimentaremos el combustible con un perfil uniforme de velocidad aguas arriba del inyector de combustible. El diámetro del inyector lo hemos fijado a una pulgada aproximadamente con lo que tenemos un radio de inyector de 0.0125m. En este proyecto hemos simulado 3 casos con Reynolds 100 y distinto número de Froude y un caso con Reynolds 50. Además para el primer caso simulado se han simulado tres configuraciones distintas del solver en Ansys Fluent y hemos utilizado distintos resultados experimentales y numéricos. Para validar los resultados obtenidos, y elegir la mejor configuración del solver para realizar las siguientes simulaciones así como para validar el resto de simulaciones realizadas en Ansys Fluent. En concreto hemos comprobado las frecuencias de oscilación obtenidas numéricamente en Ansys Fluent con los resultados [1] y [10, 12, 4, 14]. Veremos como en todos los casos estudiados, por tener estos un número de Froude bajo (inferior a un valor crítico) se produce la rotura de la llama en dos partes, una de ellas permanece anclada al inyector mientras que otra se desplaza aguas abajo hasta que el combustible dentro de la misma se agota. ..Simularemos una química finita de combustión de metano en aire donde utilizaremos un mecanismo de 3 reacciones e incluimos también como producto de la combustión el monóxido de carbono. Consideraremos variación de las distintas propiedades en función de la composición y la temperatura tratando de realizar una simulación lo más real posible dentro de nuestras limitaciones computacionales. Vamos a simular del orden de 1 segundo o menos y captar al menos un mínimo de 3 ciclos, ya que debido a los recursos computacionales que disponemos los tiempos requeridos para realizar simulaciones más largas serían excesivos y hemos preferido correr más casos distintos a costa de no simular tiempos muy largos en cada caso. El paso de tiempo que hemos tomado es de 0.001segundo con lo que tenemos una frecuencia de muestreo de 1000 Hz.

This Project mainly focus on the numerical solution of non-stationary and non-forced laminar diffusion flames affected by buoyancy. The periodic phenomenon of flame breaking that occurs under certain conditions, known as pinch off, will be analyzed. Pinch off only appears on flames affected by buoyancy (gravity) and it is highly dependent on the corresponding Froude number. Different parameters affecting Froude number will be studied, such as the oscillation frequency, pinch off, the size of the detached flame, the flame length or the shape of the flame among others. This numerical study will be performed by using the commercial simulation software Ansys Fluent. Ansys Fluent as well as Matlab will be used for post processing. The geometry of considered for this project consist of non-diluted methane injection in the atmosphere at rest. This is then a non-confined case of study. By non-forced flames we understand stationary boundary conditions. In particular, methane will be fed with a uniform velocity profile upstream of the injector. Injector diameter has been set at one inch approximately so the injector’s radio is 0.0125 m. In this project three cases will be analysed at Reynolds 100 and different Froude number and one case at Reynolds 50. Furthermore, for the first case of study three different solver configurations will be used for the simulation in Ansys Fluent. For validation of results, they will be compared with experimental data as well as numerical data .Based on that, at first the best configuration of the solver will be chosen for the next simulations and then used to validate the following simulations performed with Ansys Fluent. In particular, flickering frequencies obtain by Ansys Fluent numerical simulation will be validated with [1] y [10, 12, 4, 14]. It will be shown how for all the cases of study, as Froude number is relatively low (lower than its critical value) pinch off takes place in two parts: the first part remains attached to the injector meanwhile the second part moves downstream until it methane contained within the flame runs out. A finite chemical combustion of methane on air will be simulated where a mechanism of three reactions will be used. Carbon monoxide will be included as combustion product. It will be considered variation of the different properties depending on composition and temperature in order to obtain the most realistic simulation taking into account our computational limitations. An interval of approximately 1 second will be simulated in order to capture at least three cycles. Note that, due to the computational resources available and the time constrains, longer simulations will be excessive and it will be decided to run more cases instead of simulating longer times for each case. Time step chosen will be fixed at 0.001 second so sample frequency will be 1000 Hz.