El modelamiento numérico de procesos de formación de hollín en sistemas de
combustión reales representa un gran reto debido a la fuerte interacción entre la
turbulencia, la cinética química y la dinámica de las partículas de hollín. Esto
significa que tanto los modelos de turbulencia como los de reacción química
deben ser lo suficientemente detallados como para producir resultados precisos
de las distintas especies químicas que intervienen en los procesos de formación
de hollín. También es importante que todas las fases de la formación de hollín
sean descritas adecuadamente por los modelos numéricos utilizados, y que
exista una herramienta computacional capaz de modelar dichos fenómenos. Sin
embargo, en la actualidad no existe ninguna herramienta de libre acceso que
incluya algún tipo de modelamiento detallado de hollín, por lo que la mayoría de
los estudios sobre el tema han sido realizados en el pasado con herramientas
desarrolladas por los propios investigadores. En consecuencia, en este trabajo,
utilizando C++ como lenguaje de programación, diferentes modelos detallados de
formación de hollín han sido implementados en la herramienta computacional de
acceso libre OpenFOAM. Más específicamente, los modelos considerados
incluyeron (i) el modelo semi-empírico de 2 ecuaciones (2EQ), y los modelos
basados en (ii) el método de momentos con cierre interpolativo (MOMIC), (iii) el
método híbrido de momentos (HMOM), y (iv) el método seccional discreto (DSM).
Todos los modelos fueron desarrollados y evaluados en los contextos de
simulación Reynolds averaged Navier Stokes (RANS) y large eddy simulation
(LES). Además, la fase gaseosa del proceso de combustión fue descrita usando
el modelo steady laminar flamelet (SLF), en las simulaciones RANS, y el modelo
flamelet/progress variable (FPV), en las simulaciones LES. Las simulaciones
numéricas fueron realizadas considerando diferentes especies químicas
precursoras de hollín en la fase de nucleación de este. Para la oxidación del
hollín, especies oxidantes como el radical hidroxilo (OH) y el oxígeno (O2) fueron
consideradas. Para el crecimiento superficial, a su vez, el acetileno (C2H2) y
distintos hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH) fueron considerados. Los diferentes resultados numéricos obtenidos en contextos RANS y LES fueron
comparados con los correspondientes datos experimentales del International
Sooting Flame Workshop (ISF), correspondiente a las llamas turbulentas (i)
Adelaide jet flame EHN 1 y (i) Adeladie bluff-body flame ENB-1. En concreto, los
niveles de hollín predichos con cada uno de los modelos de formación de hollín
considerados fueron evaluados y comparados con datos experimentales
disponibles en la literatura. Los principales resultados obtenidos indican que,
utilizando como especies químicas precursoras al benceno (A1) (en el caso
RANS) y al pireno (A4) (en el caso LES), el mejor modelo para predecir la
formación de hollín en las llamas turbulentas estudiadas es el HMOM. En
particular, este modelo es capaz de captar la bimodalidad de la función de
distribución del tamaño del hollín y de incluir las cadenas de agregados. También
fue comprobado que los principales precursores del hollín son los PAH, y que el
campo medio de estos no varía significativamente de uno a otro. Por lo tanto,
utilizando un adecuado factor de adherencia, la importancia del PAH particular
utilizado en la nucleación disminuye. Finalmente, los resultados indicaron
también que el costo computacional asociado a cada modelo es un factor
limitante. Así, el elevado costo computacional del modelo DSM no justifica su
uso en llamas turbulentas. De esta forma, en términos de costo computacional,
la mejor opción para las llamas estudiadas es también el modelo HMOM.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:PUCP/oai:tesis.pucp.edu.pe:20.500.12404/24191 |
| Date | 01 February 2023 |
| Creators | Valencia Ramírez, René Sebastian |
| Contributors | Celis Pérez, César |
| Publisher | Pontificia Universidad Católica del Perú, PE |
| Source Sets | Pontificia Universidad Católica del Perú |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf, application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, Atribución 2.5 Perú, http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/pe/ |
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