Modelos de combustión para CFD

Los modelos de combustión para CFD se refieren a modelos de combustión para dinámica de fluidos computacional . La combustión se define como una reacción química en la que un combustible reacciona con un oxidante para formar productos, acompañada de la liberación de energía en forma de calor. Siendo parte integral de diversas aplicaciones de ingeniería, como motores de combustión interna , motores de aeronaves , motores de cohetes , hornos y combustores de centrales eléctricas , la combustión se manifiesta como un dominio amplio durante las etapas de diseño, análisis y características de rendimiento de las aplicaciones mencionadas. ^{[ 1 ]} Con la complejidad añadida de la cinética química y la obtención de un entorno de mezcla de flujo reactivo, se debe incorporar una física de modelado adecuada durante las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) de la combustión. Por lo tanto, la siguiente discusión presenta un esquema general de los diversos modelos adecuados incorporados con el código de dinámica de fluidos computacional para modelar el proceso de combustión. ^{[ 2 ]}

La modelización de la combustión mediante dinámica de fluidos computacional requiere la selección e implementación adecuadas de un modelo que represente fielmente los complejos fenómenos físicos y químicos asociados a cualquier proceso de combustión. El modelo debe ser lo suficientemente competente para proporcionar información sobre la concentración de las especies, su tasa de generación o destrucción volumétrica y los cambios en los parámetros del sistema, como la entalpía , la temperatura y la densidad de la mezcla. El modelo debe ser capaz de resolver las ecuaciones generales de transporte para el flujo de fluidos y la transferencia de calor, así como las ecuaciones adicionales de la química de la combustión y la cinética química incorporadas según el entorno de simulación deseado ^{[ 1 ].}

La consideración principal durante cualquier proceso de combustión general incluye la escala de tiempo de mezcla y la escala de tiempo de reacción transcurrida para el proceso. También se debe tener en cuenta el tipo de llama y el tipo de mezcla de las corrientes de flujo de los constituyentes. Además, en lo que respecta a la complejidad cinética de la reacción, esta procede en múltiples etapas y lo que parece una reacción simple de una sola línea en realidad se completa después de una serie de reacciones. ^{[ 1 ] [ 2 ]} También se deben resolver las ecuaciones de transporte para las fracciones de masa de todas las especies, así como la entalpía generada durante la reacción. Por lo tanto, incluso la reacción de combustión más simple implica un cálculo muy tedioso y riguroso si se deben satisfacer simultáneamente todas las etapas intermedias del proceso de combustión, todas las ecuaciones de transporte y todas las ecuaciones de flujo. Todos estos factores tendrán un efecto significativo en la velocidad de cálculo y el tiempo de simulación. Pero con suposiciones simplificadoras adecuadas, el modelado de dinámica de fluidos computacional de la reacción de combustión se puede realizar sin comprometer sustancialmente la precisión y la convergencia de la solución. ^{[ 2 ]} Los modelos básicos utilizados para ello se tratan en los siguientes párrafos.

Este modelo solo toma en consideración la concentración final de las especies y solo considera la naturaleza global del proceso de combustión, donde la reacción procede infinitamente rápido como un proceso de un solo paso sin hacer mucho hincapié en la cinética detallada involucrada. ^{[ 1 ]}

Se supone que los reactivos reaccionan en proporciones estequiométricas . El modelo también deduce una relación lineal entre las fracciones másicas del combustible, el oxidante y la fracción de mezcla, una variable adimensional. ^{[ 2 ]} El modelo también considera la suposición adicional de que los coeficientes de difusión de masa de todas las especies son iguales. ^{[ 3 ]} Debido a esta suposición adicional, el modelo solo resuelve una ecuación diferencial parcial adicional para la fracción de mezcla y, tras resolver la ecuación de transporte para dicha fracción, se calculan las fracciones másicas correspondientes del combustible y el oxidante.

Este modelo se puede aplicar perfectamente a un entorno de combustión donde predominan los efectos de difusión laminar y la combustión se produce mediante corrientes de combustible y oxidante no premezcladas que se difunden entre sí dando lugar a una llama laminar. ^{[ 1 ]}

Este modelo se utiliza cuando se debe considerar la mezcla turbulenta de los constituyentes. La escala de tiempo turbulenta k/Ɛ se utiliza para calcular la velocidad de reacción . Se realiza una comparación entre las velocidades de disipación turbulenta del combustible, el oxidante y los productos, y se toma el mínimo entre todos como la velocidad de reacción. Las ecuaciones de transporte para las fracciones de masa de los constituyentes se resuelven utilizando esta velocidad de reacción. ^{[ 1 ]} Además, también se resuelve una ecuación de entalpía media y se calculan la temperatura, la densidad y la viscosidad en consecuencia. El modelo también se puede implementar cuando se simula una reacción controlada cinéticamente de velocidad finita. En tal situación, al decidir la velocidad de reacción, también se toma en cuenta la expresión de velocidad cinética de Arrhenius y la velocidad de reacción se toma como el mínimo entre las velocidades de disipación turbulenta de todos los constituyentes y la expresión de velocidad cinética de Arrhenius. ^{[ 2 ]} Dado que la mezcla turbulenta rige las características de este modelo, existe un límite en la calidad de la simulación de combustión que depende del tipo de modelo turbulento implementado para representar el flujo. El modelo también puede modificarse para tener en cuenta la mezcla de estructuras finas durante la reacción turbulenta. Esta modificación del modelo da como resultado el modelo de disipación de remolinos, que considera la fracción de masa de las estructuras finas en sus cálculos. ^{[ 1 ]}

Este modelo aproxima la llama turbulenta como una serie de regiones de llamas laminares concentradas alrededor de las superficies estequiométricas de la mezcla reactiva. ^{[ 1 ]} Este modelo aprovecha el uso de datos experimentales para determinar las relaciones entre las variables consideradas, como la fracción de masa, la temperatura, etc. La naturaleza y el tipo de dependencia de las variables se predice a través de datos experimentales obtenidos durante el experimento de llama de difusión laminar , y la relación de la llama laminar se deduce a partir de los mismos. Estas relaciones se utilizan luego para resolver las ecuaciones de transporte para la fracción de masa de las especies y la composición de la mezcla. ^{[ 2 ]} El modelo se puede implementar muy bien para situaciones en las que se debe calcular la concentración de especies minoritarias en la combustión, como la cuantificación de la generación de contaminantes. ^{[ 1 ]} Una simple mejora del modelo da como resultado el modelo de escala de tiempo de llamas laminares, que toma en consideración el efecto de la cinética de velocidad finita. El modelo de escala de tiempo de llamas laminares produce una solución de llamas laminares estables cuando la reacción procede muy rápido y captura los efectos de velocidad finita cuando la química de la reacción es dominante. ^{[ 4 ]}

Este modelo considera un enfoque estadístico para calcular variables como fracciones de masa de especies, temperatura y densidad, mientras que la composición de la mezcla se calcula en las cuadrículas. ^{[ 2 ]} Luego, todas estas variables se calculan como funciones de la fracción de mezcla alrededor de una función de distribución de probabilidad supuesta . ^{[ 1 ] [ 5 ]} El modelo puede producir resultados satisfactorios para flujos reactivos turbulentos donde los efectos de convección debidos a los componentes de velocidad media y fluctuante son dominantes. ^{[ 6 ]} El modelo puede extenderse para condiciones adiabáticas y no adiabáticas.

El cierre de momentos condicionales (CMC) es un modelo de combustión avanzado. La idea básica es modelar la fuente química basándose en promedios condicionales . El modelo se introdujo inicialmente para flujos no premezclados y, por lo tanto, el condicionamiento se realiza en la fracción de mezcla. ^{[ 7 ]}

A continuación se presentan algunos de los otros modelos relevantes utilizados para la modelización computacional de la combustión mediante dinámica de fluidos.

• El modelo de equilibrio químico
• Modelo de variedad generada por Flamelet
• El modelo de densidad superficial de llama
• El modelo de simulación de grandes remolinos

El modelo de equilibrio químico considera el efecto de las reacciones intermedias durante la combustión turbulenta. ^{[ 1 ]} La concentración de especies se calcula cuando la reacción de combustión alcanza el estado de equilibrio. La concentración de especies se calcula en función de la fracción de mezcla mediante el uso de programas de cálculo de equilibrio específicos. El modelo de cierre condicional resuelve las ecuaciones de transporte para los componentes medios de las propiedades del flujo sin considerar la composición fluctuante de la mezcla de reacción. ^{[ 6 ]}

• Lista de software de dinámica de fluidos computacional