Análisis mediante CFD del quemador EV de Alstom con diferente resolución de malla en las paredes del combustor

Abstract

El presente trabajo está basado en el análisis utilizando herramientas de la mecánica de fluidos computacional (CFD) con combustión en el quemador EV de ALSTOM con la idea de analizar el comportamiento del combustor con diferente resolución de malla en las paredes, y si este efecto tiene implicancias en el comportamiento del quemador y del combustor. El Capítulo 2 presenta una introducción del trabajo, junto a la motivación para realizarlo y sus objetivos. El Capítulo 3 explica el proceso de combustión en las turbinas a gas, detallando como trabaja una turbina a gas, los diferentes tipos de cámaras de combustión, los tipos de flama que existen y principalmente como trabaja el quemador EV de ALSTOM. El fenómeno de rompimiento de remolino mediante el cual se estabiliza la flama en estos quemadores también es explicado. El Capítulo 4 explica que es la mecánica de Fluidos Computacional (CFD), detallando las ecuaciones de transporte que gobiernan el proceso. Los Capítulos 5 y 6 son de gran importancia debido a que presentan los modelos de turbulencia y combustión a ser utilizados en el presente trabajo. El proceso de modelamiento de turbulencia es muy complicado, y su dificultad se incrementa al combinarla con combustión debido a los diversos fenómenos y la interacción entre ellos durante el proceso. El presente trabajo utilizó métodos RANS para resolver la turbulencia mediante el modelo k-ε realizable combinado con el modelo Finite-rate/Eddy-dissipation que es muy utilizado en la industria debido a un buen comportamiento para predecir las características de la flama y del flujo del fluido. Las ecuaciones que se aplican mediante estos métodos son presentadas en estos capítulos. Al estar el estudio basado en la influencia de la resolución de malla cerca de la pared del combustor en el quemador y su comportamiento en el flujo de calor en las paredes, se presentan las ecuaciones del tratamiento cerca de la pared del combustor al aplicar funciones de pared y al aplicar el “tratamiento mejorado de pared” o enhanced-wall-treatment cuando se resuelve la subcapa viscosa. El Capítulo 7 presenta el método numérico de Volumen finitos que es utilizado por el programa FLU^T que fue utilizado para resolver los diferentes casos. Los diferentes métodos de discretización e interpolación utilizados con el método de Volúmenes finitos son presentados y comparados entre sí. Finalmente se presenta el método para obtener los campos de flujo mediante el algoritmo SIMPLE. El Capítulo 8 describe las diferentes condiciones de frontera que se utilizaron en el proceso. El Capítulo 9 muestra la aplicación para análisis mediante CFD en el quemador, la cual detalla cómo se prepararon los diferentes casos y los parámetros que se utilizaron para generar la malla en el programa GAMBIT y para configurar el solucionador FLUENT. El Capítulo 10 muestra los resultados del trabajo. Inicialmente se muestran los casos en estado inerte (sin combustión) los cuales se comparan con los resultados experimentales realizados en el túnel de agua de ALSTOM para comparar la aerodinámica del quemador. Luego, se presenta el análisis con combustión considerando primero paredes adiabáticas, con su respectivo análisis cerca de la pared; y luego, el análisis utilizando una temperatura de pared constante en el combustor y el panel frontal, con su respectivo análisis cerca de la pared. El Capítulo 11 presenta las conclusiones del trabajo. El Capítulo 12 muestra el apéndice donde se encuentra una comparación de los resultados con combustión con paredes adiabáticas y con temperatura de pared constante de los diferentes parámetros. Finalmente, el Capítulo 13 muestra las referencias bibliográficas que se utilizaron en el presente trabajo. El presente estudio fue realizado en las instalaciones de ALSTOM en Datwill, Suiza para el departamento de modelamiento numérico en combustión. Por lo cual, los resultados se encuentran normalizados debido a su confidencialidad, siendo a su vez prohibida la reproducción de los resultados sin previa autorización. Así mismo, las condiciones de frontera de los casos no pueden ser proporcionados debido a su confidencialidad.