Estudio experimental y modelado cfd del proceso de combustión de mezclas combustibles de hidrógeno, metano y gas de síntesis en una bomba cilíndrica con acceso óptico

• Autores: Alexandra Lisbeth Camaño Camaño
• Directores de la Tesis: Francisco V. Tinaut Fluixá (dir. tes.), Miriam Reyes Serrano (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Valladolid ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Número de páginas: 305
• Tribunal Calificador de la Tesis: Andrés Melgar Bachiller (presid.), Ricardo Novella Rosa (secret.), Jose Rodriguez Fernandez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Industrial por la Universidad de Valladolid
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: UVADOC
• Resumen
  • español

    La presente tesis doctoral se enmarca en la investigación sobre fuentes de energías alternativas, que permitan hacer del mundo de la combustión un entorno más eficiente y amigable con el medio ambiente. El trabajo se ha desarrollado en el Grupo de Investigación Reconocido Motores y Energías Renovables de la Universidad de Valladolid. Tiene como objetivo la caracterización de combustibles gaseosos alternativos (metano, hidrógeno, monóxido de carbono y sus mezclas) en una bomba de combustión cilíndrica a volumen constante. Esta bomba cuenta con ventanas de cristal de cuarzo en sus bases, lo que permite registrar imágenes del frente de llama mediante una cámara de alta velocidad, al mismo tiempo que se registra la evolución de la presión.

    El estudio del proceso de combustión y en particular la obtención de las velocidades de combustión se puede realizar mediante dos métodos: análisis de la presión registrada por medio de un modelo de dos zonas, y a partir de las imágenes grabadas con la metodología Schlieren, usando un procedimiento automatizado. En paralelo a ello, se han realizado simulaciones CFD que predicen el crecimiento del frente de llama, para tener información adicional a la obtenida en los experimentos. Además, se ha desarrollado una metodología que permite caracterizar el frente de llama, incluyendo la deformación de éste debida al efecto de la geometría cilíndrica de la bomba. Con ello, se posibilita estudiar cómo influye esta deformación del frente sobre el cálculo de la velocidad de combustión y otros parámetros importantes de proceso de combustión.

    Los experimentos consisten en la combustión en aire de mezclas H2–CH4 e H2–CO (syngas). Para las mezclas H2–CH4, se ha variado el contenido de H2 en la mezcla de 0, 20, 50, 80 y 100%, partiendo de condiciones iniciales de presión de 0.1 MPa y temperatura de 300 K, para dosados 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 0.9 y 1.0. Para las mezclas hidrógeno-aire con 100% H2, se mantuvieron los mismo dosados, pero se realizó también un estudio del efecto de la presión y temperatura iniciales para el dosado 0.7, con presiones iniciales de 0.1, 0.2 y 0.3 MPa, y temperaturas iniciales de 315 y 373 K. Para las mezclas H2–CO, se realizaron experimentos para ver la influencia del contenido de H2 en la mezcla con proporciones de 0, 6.7, 25, 50, 80 y 100% H2, con condiciones iniciales de 0.1 MPa, 300K y un barrido de dosados entre 0.5 y 1.0.

    De los resultados obtenidos para las mezclas H2–CH4, se constata que, por debajo del 50% de H2, la velocidad de combustión laminar se incrementa linealmente respecto a la del metano con el incremento del contenido de H2. Sin embargo, para cada dosado la velocidad de combustión laminar aumenta muy fuertemente cuando se supera un contenido de H2 en la mezcla del orden del 80%. Además, del análisis de las imágenes Schlieren obtenidas, se puede ver que el incremento de hidrógeno en la mezcla favorece el crecimiento de inestabilidades, dando lugar a una llama celular, en concordancia con lo publicado en otros estudios sobre crecimiento de inestabilidades de combustión.

    Al igual que las mezclas anteriores, en las mezclas de H2–CO, se obtuvieron valores de velocidad de combustión laminar que aumentan linealmente con el contenido de hidrógeno y el aumento del dosado. En cuanto al análisis de las imágenes Schlieren, se obtuvo que el incremento del contenido de hidrógeno tiene un efecto desestabilizador en la llama, causando celularidad en la superficie del frente de llama.

    Los resultados obtenidos de la velocidad de combustión mediante el método de aumento de presión, para las mezclas de 100%H2, 100%CH4 y las mezclas de H2–CO, se han comparado con los obtenidos en estudios previos en una bomba esférica, existente en el Laboratorio de Motores. Adicionalmente, se han realizaron comparativas entre las velocidades obtenidas mediante ambos métodos y con otros autores citados en la bibliografía, para validar los resultados obtenidos.

    En cuanto a la simulación CFD, es una primera aproximación en ese campo dentro de los trabajos del Grupo de Investigación, cuyo resultado más importante es constatar la deformación del frente de llama, apartándose de la geometría esférica. A partir de un radio del frente de aproximadamente el 60% del radio de la bomba cilíndrica, se pierde la simetría esférica, con crecimiento diferente en las direcciones principales de la bomba cilíndrica (radial y axial). El algoritmo desarrollado permite seguir la evolución de la geometría del frente de llama calculado mediante la simulación CFD, asimilándolo a un seudoelipsoide de revolución.

    Una aportación relevante de la tesis es el cálculo de parámetros teóricos importantes para el estudio de las inestabilidades hidrodinámicas y termodifusivas como lo son: la longitud de Markstein, número de Markstein, número de Lewis, número de Peclet, número de Zel’dovich, y las tasas de crecimiento de inestabilidades.

  • English

    This doctoral thesis is part of the research on alternative energy sources, which allow to make the world of combustion a more efficient and environmentally friendly environment. The work has been carried out in the Research Group Engines and Renewable Energy at the University of Valladolid. The objective is to characterize alternative gaseous fuels (methane, hydrogen, carbon monoxide and their mixtures) in a constant volume cylindrical combustion bomb. This bombhas quartz glass windows in its bases, which allows recording images of the flame front by a high-speed camera, at the same time as the pressure evolution is recorded.

    The study of the combustion process and in particular the obtaining of the laminar burning velocity can be carried out by two methods: analysis of the pressure recorded by means of a two-zone diagnostic model, and from the images recorded with the Schlieren methodology, using an automated procedure. In parallel to this, CFD simulations have been carried out that allow predicting the development of the combustion process, to have additional information to that obtained in the experiments. In addition, a new methodology has been developed that allows characterizing the flame front, including its deformation due to the effect of the cylindrical geometry of the bomb. In this way, it is possible to study how this deformation of the flame influences the calculation of the laminar burning velocity and other important parameters of the combustion process.

    The experiments consist of in-air combustion of H2–CH4 and H2–CO mixtures (syngas). For the H2–CH4 mixtures, experiments are carried out varying the H2 content in the mixture from 0, 20, 50, 80 and 100% with initial conditions of pressure of 0.1 MPa and temperature of 300 K, for equivalence ratios 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 and 1.0. For the 100% H2 mixtures, a study was also carried out on the effect of the initial pressure and temperature and experiments were carried out with initial pressures of 0.1, 0.2 and 0.3 MPa and initial temperatures of 315 and 373 K for an equivalence ratio of 0.7. For H2-CO mixtures, experiments were carried out to see the influence of the H2 content in the mixture with proportions of 0, 6.7, 25, 50, 80 and 100% H2, with initial conditions of 0.1 MPa, 300K and an equivalence ratio sweep of 0.5 and 1.0.

    From the results obtained for the H2–CH4 mixtures, it can be seen that, below 50% of H2, the laminar burning velocity increases linearly with respect to that of methane with the increase in H2 content. However, for each equivalence ratio the laminar combustion velocity increases very strongly when an H2 content of the order of 80% is passed. In addition, from the analysis of the Schlieren images obtained, it can be seen that the increase of hydrogen in the mixture favors the growth of instabilities, resulting in a cellular flame, in accordance with what is published in other studies on growth of combustion instability.

    As in the previous mixtures, in the H2-CO mixtures, the laminar burning velocity values increase linearly with the hydrogen content and the increase of equivalence ratio.

    Regarding the analysis of the Schlieren images, it was obtained that the increase of hydrogen contents has a destabilizing effect on the flame, causing cellularity on the surface of the flame front.

    The results obtained from the laminar burning velocity by means of the pressure increase method, for the mixtures of 100% H2, 100% CH4 and the H2-CO mixtures, were first compared with those obtained in previous studies in a spherical bomb existing in the Engine Laboratory. Additionally, comparisons were made between the velocities obtained by both methods and with other authors cited in the bibliography, to validate the results obtained.

    As for the CFD simulation, it is a first approximation in that field within the work of the research group, whose most important result is to verify the deformation of the flame front, moving away from the spherical geometry. From a radius of the front of approximately 60% of the radius of the cylindrical pump, the spherical symmetry is lost, with different growth in the main directions of the cylindrical pump (radial and axial).

    The developed algorithm allows to follow the evolution of the flame front geometry calculated by the CFD simulation, assimilating it to a revolution pseudoelipsoid.

    A relevant contribution of the thesis is the calculation of important theoretical parameters for the study of hydrodynamic and thermodifusive instabilities, such as:

    Markstein length, Markstein number, Lewis number, Peclet number, Zel’dovich number, and the rates of growth of instabilities.