Uso de STAR-CCM+ para comprender la química detallada en el proceso de combustión

Uso de STAR-CCM+ para comprender la química detallada en el proceso de combustión

Las mediciones del rendimiento de las emisiones y del ciclo de conducción de los turismos con motor de combustión diésel han generado mucho 'humo' en los medios de comunicación últimamente. Las discusiones resaltan la importancia de la reducción de emisiones y el desempeño, y también revelan el gran desafío de este trabajo. Si algunos de los mayores fabricantes de automóviles del mundo luchan por cumplir con los límites de emisiones, es evidente que no hay una solución fácil.

Las emisiones son subproductos de un proceso químico, y para comprender, predecir yvehículos que cumplen con el diseño, las vías químicas subyacentes deben entenderse bien . El propósito de este artículo es presentar las herramientas disponibles para hacer que el trabajo de comprensión y predicción de la química sea más fácil y directo. He aquí una historia sobre Jane, una imaginaria ingeniero de diseño de cámaras de combustión , que describe los desafíos diarios que enfrenta.

Conozca a Jane, ingeniera de combustión y usuaria de STAR-CCM+

Jane es una ingeniera de diseño recién empleada en CombustionCorp, una empresa que acaba de empezar a utilizar CFD para la mayor parte de sus proyectos de desarrollo, siendo el diseño de una cámara de combustión uno de ellos. La primera tarea de Jane es investigar y mejorar el diseño de una cámara de combustión de gas natural. Usando STAR-CCM+, puede configurar la geometría y la física, optando por el modelo de combustión estándar Eddy Break Up (EBU) . Ella decide que simplificar las cosas simplemente modelando una reacción general es un buen punto de partida, ya que su gerencia la presiona mucho para hacer el trabajo rápidamente. Obtiene un campo de flujo y temperatura y verifica que los resultados obtenidos sean precisos. A continuación, comienza su trabajo de diseño con Optimate+TM, y puede mejorar automáticamente el diseño al optimizar la ubicación de la boquilla de combustible.

Y luego, unos días después, un científico del laboratorio le dice que el combustor que está diseñando se comporta de manera diferente para diferentes calidades de gas natural. Se pregunta si necesita considerar un enfoque más complejo y comienza a hacer preguntas...



¿Por qué la cámara de combustión se comporta de manera diferente para diferentes calidades de gas natural?

Las diferentes calidades de gas natural contienen cantidades variables de hidrocarburos más grandes. El gas natural de alta calidad consiste principalmente en metano, mientras que el gas natural de baja calidad incluye un pequeño porcentaje de etano, propano y butano. . Los hidrocarburos más grandes se rompen mucho más fácilmente que el metano y, por lo tanto, el gas natural de baja calidad se enciende más rápido.

¿Cómo afecta la ignición temprana al comportamiento general de la combustión?

Para entender esto, Jane estudia los efectos químicos en un ambiente aislado, eliminando la influencia de los campos de flujo. Ella descubre que puede usar DARS para lograr esto. DARS es una herramienta independiente de CD-adapco para análisis de reacciones químicas en reactores idealizados 0D y 1D. La herramienta puede leer y analizar esquemas de reacciones químicas, por ejemplo, para la combustión de hidrocarburos y procesos catalíticos en sistemas de postratamiento.

Jane abre el DARS y lee la química del gas natural estándar que se entrega con el DARS. Luego conecta algunos reactores diferentes al módulo del mecanismo de lectura:

  • Llama de libre propagación: Este módulo calcula la velocidad laminar de la llama, que es una propiedad importante para la propagación de la llama y, por lo tanto, el comportamiento de combustión en una cámara de combustión. El módulo también calcula perfiles de especies y temperatura en la llama.
  • Presión constante: Este módulo calcula los tiempos de retardo de la ignición, así como los perfiles de especies y las propiedades termodinámicas de un evento de autoignición en condiciones homogéneas de presión constante. También se puede utilizar para calcular la producción de emisiones.
  • Biblioteca de Flamelet: Este módulo calcula las especies y los perfiles de temperatura en una llama de difusión. También calcula el límite de extinción.
  • Equilibrio: Este módulo calcula las especies y la temperatura de equilibrio.

Interfaz de usuario del DARS

Para cada módulo, Jane prueba dos calidades de combustible diferentes en DARS:

  • Metano puro para simular gas natural de muy alta calidad,
  • Metano mezclado con un pequeño porcentaje de hidrocarburos más grandes (C2-C4).

Primero calcula la velocidad de la llama laminar para un rango de relaciones de equivalencia. La velocidad de la llama laminar es la velocidad de una llama que se propaga libremente en condiciones premezcladas. Encuentra que la velocidad de la llama es aproximadamente 1 cm/s más rápida para la mezcla de baja calidad. Ella contempla si esto es importante para su diseño...

¿Qué significa una velocidad de llama más rápida para la cámara de combustión?

Jane decide que esto aumenta el riesgo de retroceso en la cámara de combustión. También señala que, en condiciones muy pobres, la velocidad del combustible de metano puro es aproximadamente un 14 % más lenta que la del combustible de menor calidad, lo que indica que el gas natural de alta calidad es más propenso a la pérdida de energía pobre.

Para comprender el comportamiento bajo la combustión por difusión, calcula una biblioteca de flamelets para cada composición de combustible. Una flamelet es una llama de difusión laminar idealizada, y una biblioteca de flamelets es un conjunto de flamelets para varias tasas de disipación (mezcla) escalar. . Ella observa que la temperatura máxima en la flama es aproximadamente 30 K más alta para el combustible de baja calidad con una alta tasa de disipación escalar. Esto hace que la llama de gas natural de alta calidad sea más propensa a la extinción; ella señala que la tasa de disipación escalar de extinción es 41/s para el combustible de baja calidad y 35/s para el combustible de alta calidad. La velocidad de disipación escalar de extinción es la velocidad de mezcla a la que se apaga la llama de difusión. Esto indica que la explosión es más común para el gas natural de alta calidad.

Jane calcula los tiempos de retardo de encendido para comprender la inflamabilidad y evaluar la tendencia de preencendido en la zona de mezcla de la cámara de combustión. Ella crea un barrido de parámetros (llamado ejecución múltiple en DARS) con metano como combustible, barriendo el rango completo de relaciones de equivalencia de aire y combustible dada la temperatura de entrada y la presión ambiental. Después de unos segundos, los cálculos están terminados y ella puede observar el encendido de la mezcla. Ella señala que el tiempo hasta la ignición se acorta en aproximadamente un 25 % para el gas natural de baja calidad, lo que aumenta el riesgo de preignición en la zona de mezcla. .

A partir de los cálculos de equilibrio, observa que la temperatura adiabática de la llama del gas natural de baja calidad es aproximadamente 5 K más alta que la del gas natural de alta calidad. Al ver el efecto en el comportamiento de la combustión con solo un cambio muy leve en la composición del combustible, comprende que debe continuar los estudios en las simulaciones CFD para cuantificar el efecto en el comportamiento de la cámara de combustión. Ahora necesita averiguar cómo hacer esto y se pregunta...

¿Cómo contabilizo las diferentes mezclas de combustible en mis cálculos de CFD?

Jane se da cuenta de que puede hacer esto usando el Modelo de colector generado por flamelet (FGM) en STAR-CCM+ , que incluye la química de tasa finita detallada completa sin comprometer la velocidad de ejecución. El efecto de las diferentes mezclas de combustible se tiene en cuenta mediante la creación de una biblioteca FGM para cada mezcla de combustible. La biblioteca FGM se genera a partir de química detallada.

¿Cómo obtengo una biblioteca FGM para las condiciones de mi combustor para STAR-CCM+?

Jane descubre que también puede usar DARS para esto. Abre su proyecto DARS y arrastra un módulo de generación de bibliotecas FGM al banco de trabajo, configura los cálculos y ejecuta la generación de bibliotecas. Ella crea un conjunto de bibliotecas de FGM para diversas mezclas de gas natural y las usa en sus cálculos de CFD, agregando diferentes calidades de combustible a sus optimizaciones de Optimate+. Encuentra un diseño que también es adecuado para gas natural de baja calidad y se lo entrega a los ingenieros de laboratorio para que lo prueben.

Después de esta actualización, sus colegas están muy interesados ​​en el comportamiento variable y quieren entender por qué sucede esto.

¿Cómo entender el efecto de las diferentes mezclas de combustible?

Para hacer esto, vuelve a ejecutar el caso del reactor homogéneo de presión constante solo con metano y gas natural de baja calidad, y verifica el análisis de sensibilidad de las especies. Los resultados para la combustión de metano puro son los siguientes:

Como era de esperar, el metano y el oxígeno son las especies dominantes en el proceso de combustión. Luego traza el mismo análisis de sensibilidad para el gas natural de baja calidad:

El propano constituye solo el 1,5% de la mezcla de combustible, pero aún afecta la combustión casi tanto como el metano. El butano, que constituye solo el 0,3% de la mezcla, también tiene un efecto significativo en la combustión. . Esto muestra que los hidrocarburos más grandes tienen un gran impacto. Para comprender las reacciones detrás de este comportamiento, verifica sus sensibilidades. Ella nota que la disociación de propano y butano son dos procesos muy importantes, además de las reacciones de oxidación:

Con los análisis de sensibilidad, los gráficos de los tiempos de retardo de encendido y las simulaciones CFD, Jane ahora cuenta con todo el material que necesita para explicar a sus colegas lo que sucede durante este proceso.

Un rato después, el ingeniero de laboratorio regresa y le pregunta sobre las emisiones. Para algunos puntos de carga, las emisiones de CO son inaceptablemente altas. ¿Está lista para su próximo desafío?

¿Cómo mejorar el rendimiento de las emisiones?

Para comprender mejor las emisiones de CO, Jane inicia DARS y ejecuta un conjunto de reactores homogéneos de presión constante a temperatura constante, creando un mapa de emisiones:

En este mapa, puede ver la producción de CO para diferentes relaciones de equivalencia aire-combustible y diferentes temperaturas. En comparación con la fracción de mezcla y el campo de flujo de temperatura en CFD, encuentra que su cámara de combustión ingresa al área de producción de CO en algunas zonas ricas en combustible cerca de la salida de combustible para el rango de carga especificado por su colega. . Necesita mejorar la mezcla en estas zonas y, por lo tanto, establece una restricción en la relación de equivalencia máxima en estas regiones para el próximo ciclo de optimización. Se las arregla para disminuir el CO con alguna penalización de eficiencia y puede estudiar la compensación entre la emisión de CO y la eficiencia. Para comprender mejor el rendimiento de CO, agrega CO a las especies de posprocesamiento en su generación de bibliotecas de FGM y vuelve a generar las bibliotecas de FGM. Ahora puede estudiar directamente el rendimiento de CO en su simulación CFD.

Finalmente, para comprender completamente los efectos de la química detallada, elige uno de los casos y aplica la Química compleja en STAR-CCM+ para realizar una simulación CFD completa con el mecanismo químico utilizado en DARS. Esto sirve como un buen punto de referencia frente a los otros modelos de combustión. Ella convence a su gerente de que, aunque estas simulaciones toman más tiempo en completarse, proporcionarán una precisión mucho mayor. Después de todo, la empresa no quiere ser detenida por incumplimiento. Un tiempo computacional más largo podría ser un pequeño precio a pagar.

Además de realizar los complejos cálculos químicos descritos en este artículo, el DARS se puede utilizar para:

  • Genere bibliotecas de combustión y emisión para la combustión en el cilindro:
    • TKI ECFM-3Z
    • ECFM-CLEH TKI + Equilibrio
    • PVM-MF
    • Hollín
  • Calcular el espesor de la llama laminar
  • Calcular la química superficial y de fase gaseosa en catalizadores (DOC, TWC, DPF, …)
  • Reducir mecanismos

Fuente: CD-adapco