Simulación de las grandes escalas de una llama premezclada de metano aire bajo la dilución de vapor de agua y dióxido de carbono

Abstract

RESUMEN : La dinámica de fluidos computacional (CFD por Computational Fluid Dynamics) se ha convertido en una herramienta esencial para la optimización de diseños y el análisis de variables difíciles de medir experimentalmente. Los quemadores de mezcla pobre se han desarrollado para cumplir con las estrictas regulaciones ambientales, reduciendo las emisiones de NOx y CO y mejorando la eficiencia térmica. Este trabajo evalúa numéricamente el efecto de la dilución de vapor de agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2) en una llama premezclada de metano/aire sobre los campos de velocidad, la morfología de la llama y las emisiones contaminantes en una cámara de combustión con un quemador tipo swirl utilizando la técnica LES (Large Eddy Simulation). Los modelos LES son reconocidos por su alta fidelidad en los resultados y su viabilidad computacional, convirtiéndose en una herramienta analítica de vanguardia para la simulación de combustión en quemadores industriales y turbinas de gas. Inicialmente, se presenta la comparación de los resultados numéricos obtenidos mediante LES con los campos de velocidad medidos por velocimetría de partículas (PIV por Particle Image Velocimetry) en condiciones no reactivas, realizando un análisis de independencia de mallado. Posteriormente, se llevan a cabo simulaciones de la cámara de combustión en condiciones reactivas para validar la morfología de la llama, las emisiones contaminantes y los campos de velocidad bajo diferentes niveles de dilución de H2O y CO2. Estos niveles de dilución varían desde cero hasta 26 %, permitiendo evaluar una amplia gama de condiciones operativas. Los resultados obtenidos permiten validar el uso de la LES como una herramienta eficaz para predecir el comportamiento de la aerodinámica en quemadores de premezcla en condiciones diluidas. Esto destaca la relevancia que sigue aumentando para la aplicación de la LES en el diseño y la optimización de quemadores industriales. Además, estos hallazgos indican que la dilución con H2O y CO2 reduce significativamente la temperatura de la llama y las emisiones de NOx. Sin embargo, una dilución excesiva puede llevar a inestabilidades y la posible extinción de la llama. Además, se observa que la morfología de la llama cambia con la dilución, tendiendo a una estructura más alargada y menos intensa.