Modelo de radiación de gases aplicable a simulaciones CFD en procesos de combustión

Sánchez Romero, Sergio (2016). Modelo de radiación de gases aplicable a simulaciones CFD en procesos de combustión. Tesis (Master), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Modelo de radiación de gases aplicable a simulaciones CFD en procesos de combustión
Autor/es:
  • Sánchez Romero, Sergio
Director/es:
  • Jimenez Fernandez, Javier
Tipo de Documento: Tesis (Master)
Título del máster: Ingeniería Industrial
Fecha: 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Energética
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Los principales objetivos de este proyecto son dos: producir un modelo de propiedades radiativas preciso y eficiente y demostrar su aplicabilidad mediante simulaciones numéricas (CFD) en procesos de combustión. La transferencia de calor por radiación es fundamental en procesos que se producen altas temperaturas, como los que ocurren en las cámaras de combustión. Por tanto, los modelos para el cálculo de propiedades radiativas, como la emivisidad de la mezcla de gases, juegan un papel clave en la fiabilidad de las simulaciones CFD aplicadas a cámaras de combustión. Los modelos de propiedades radiativas convencionales están limitados a cálculos de emisividad en condiciones de baja concentración de gases. Estos son los modelos de suma ponderada de gases grises (Weighted Sum of Gray Gases Model o WSGGM). Los modelos de banda ancha exponencial (Exponential Wide Band Model o EWBM) evalúan la emisividad de cualquier mezcla de gases bajo cualquier condición. Estos modelos son genéricos y pueden solventar los inconvenientes de los modelos convencionales: distingue entre combustión aire-combustible y oxígeno-combustible independientemente de la concentración de gases, tiene en cuenta una gran variedad de gases y calcula de manera natural las variaciones de concentración. Yin (2011) desarrolló un código para hacer uso del modelo EWBM original . El modelo es capaz de calcular las propiedades radiativas con exactitud, pero llevó a tiempos de simulación muy altos. Por tanto, este modelo resultó ser ineficiente y no aplicable a simulaciones CFD en sistemas de combustión reales. El objetivo de este proyecto es desarrollar un modelo EWBM eficiente y aplicable a simulaciones CFD de combustión, que mantenga la exactitud y generalidad del modelo EWBM original. Posteriormente, se desea demostrar su efecto en simulaciones CFD aplicadas a cámaras de combustión. En primer lugar, se ha empleado el lenguaje de programación C++ para implementar simplificaciones al modelo EWBM original desarrollado por Yin (2011). El nuevo modelo EWBM resultante se denominará E-EWBM (Eficient Exponential Wide Band Model). El nuevo modelo E-EWBM se diferencia del modelo original en tres aspectos principales: intensidad de banda integrada, parámetro cociente entre la anchura de la línea y el espaciado y función de radiación del cuerpo negro F(x). En el modelo EWBM original, los anteriores parámetros se calculan con expresiones que llevan a un elevado tiempo de cálculo. El nuevo E-EWBM está más basado en correlaciones de polinomios y tablas, que aceleran enormemente el cálculo. Posteriormente, el nuevo modelo E-EWBM se ha validado calculando la emisividad total bajo unas determinadas condiciones y comparando con resultados análogos disponibles en bibliografía. En segundo lugar, se han realizado simulaciones CFD en cámaras de combustión de gas natural en Ansys Fluent. El objetivo de estas simulaciones es demostrar la aplicabilidad del nuevo modelo E-EWBM. Los estudios CFD se han hecho tanto en un proceso combustión aire-combustible convencional como en uno de combustión oxígeno-combustible. Los resultados obtenidos se han analizado y validado con datos experimentales disponibles en bibliografía. En los resultados de las simulaciones aplicadas en combustión aire-combustible se pueden observar las diferencias en el coficiente de absorción usando el modelo E-EWBM y el modelo WSGGM, lo que ha explicado una mejor predicción de la combustión con el modelo E-EWBM. También se observan las diferencias en la transferencia de calor por radiación a través de las paredes de la cámara de combustión. El tiempo de simulación necesario para realizar simulaciones con el modelo E-EWBM se considera razonable. Además, se han estudiado el efecto de otros elementos clave como independencia del mallado y mecanismos de reacción. Para las simulaciones aplicadas en una cámara de combustión oxígeno-combustible se ha construido el mallado en Ansys ICEM CFD. Debido a restricciones de tiempo, las simulaciones no han alcanzado la convergencia. A pesar de ello, en los resultados también se pueden apreciar las ventajas del modelo E-EWBM en la predicción del coeficiente de absorción. En definitiva, se han alcanzado los principales objetivos del proyecto: producir un modelo de propiedades radiativas preciso y eficiente basado en el EWBM y demostrar su aplicabilidad mediante simulaciones CFD en procesos de combustión.

Más información

ID de Registro: 44736
Identificador DC: http://oa.upm.es/44736/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:44736
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 21 Feb 2017 08:39
Ultima Modificación: 21 Feb 2017 08:39
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