Simulación de un escurrimiento reactivo al interior de una cámara de combustión

Reactive fluid flow simulation inside combustion chamber

El presente trabajo dice relación con la simulación de gases calientes al interior de una cámara de tubular combustión.Siendo así, se generan mallas en dominios tubulares curvilíneos. La inyección de combustible es realizada a través de un cuerpo esférico posicionado en el eje de simetría de la cámara afectado por un flujo primario axial y un flujo secundario radial. El fluido es considerado newtoniano incompresible y con propiedades termofísicas constantes, en cuanto el flujo es considerado laminar, modelado a través de la ecuaciones de Navier-Stokes. La formulación de Shvab-Zel’dovich es utilizada para modelar el transporte de energía y especies a través de una variable denominada Potencial de Acoplamiento.El modelo matemático es resuelto numéricamente a través del Método de los Volúmenes Finitos descrito en coordenadas curvilíneas con arreglo colocalizado de variables. Los términos difusivos son representados por diferencias centradas y se usa el esquema WUDS para los términos convectivos. La integración temporal es del tipo implícito. Resultados de campos de velocidades, temperaturas y concentraciones son mostrados y comparados con datos encontrados en la literatura especializada. Se concluye en cuanto a la calidad cualitativa y cuantitativa de los resultados generados y en particular en lo que dice relación con la forma de la llama.

INTRODUCCIÓN

El estudio de la combustión ha sido unos de los fenómenos de la naturaleza más complejos de abordar, debido al fuerte acoplamiento de los fenómenos físicos y químicos involucrados, como también a las condiciones de operación en las cuales se encuentra frecuentemente expuesta. Soluciones analíticas son escasas y presentan múltiples restricciones. Estas soluciones están principalmente dedicadas para fines académicos y, por lo tanto, son de poca aplicación práctica en ingeniería [1].

Desde la aparición de los computadores digitales en conjunto con la ciencia de Dinámica de los Fluidos Computacional CFD², ha sido posible obtener una noción de los fenómenos físicos que ocurren en varias aplicaciones de ingeniería a través de la solución de las ecuaciones de transporte que rigen dichos fenómenos. Sin embargo, su aplicación a problemas de interés prácticos de la combustión ha sido menos exitoso, debido a la complejidad del proceso, esto es: la tasa de reacción química en cadena, descrita por la ley de Arrhenius, resulta en una cantidad de ecuaciones prohibitivas para la modelación. Además existe un fuerte acoplamiento entre las ecuaciones de acuerdo con el modelo de Arrhenius que describe la velocidad de reacción en función de la temperatura [2, 3], acoplando de esta forma la ecuación de energía con las ecuaciones de especies. De acuerdo a lo anterior, losproblemas de combustión son abordados generalmente a través de la solución de una única ecuación de transporte, como el modelo de Shvab-Zel´dovich [1, 2] para llamas no premezcladas. Las hipótesis de esta formulación son: Primero, la reacción ocurre infinitamente rápida y, por lo tanto, se tiene un único paso de reacción. Segundo, se considera un número de Lewis unitario para combustible y oxidante. Tercero, por último, se aplica la hipótesis de llama fina, presentándose ésta como una discontinuidad de derivada para los campos de temperatura, y fracción másica de combustible y oxidante.