Unas herramientas numéricas hacen más rentable el diseño de nuevos equipos de inyección de combustible
Los sistemas de inyección de combustible modernos y controlados de forma electrónica, que funcionan con una amplia gama de presiones y composiciones de combustible, representan una de las tecnologías clave para reducir las emisiones contaminantes formadas durante la combustión en estos sistemas de transporte y generación de energía alimentados por combustibles líquidos. «El denominador común en todos los diferentes diseños disponibles en la actualidad es la formación de flujos multifásicos que controlan la atomización del combustible y las consecuentes propiedades y mezclas de los aerosoles de combustible inyectado», comenta Manolis Gavaises, coordinador científico del proyecto financiado con fondos europeos HAoS y profesor en la Universidad City de Londres, institución coordinadora. La investigación se llevó a cabo con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie.
Experimentos con simulaciones numéricas directas
Los socios del proyecto trabajaron en el desarrollo y la validación experimental de modelos de dinámica de fluidos computacional (DFC) abordando los procesos de flujo obtenidos en equipos de inyección de combustible (FIE, por sus siglas en inglés) para una amplia gama de conceptos de combustión, que incluyen motores de gasolina y gasóleo, turbinas de gas, motores de cohetes y quemadores de aceite utilizados en la generación de energía. Los principales temas de investigación de los socios fueron los fenómenos de flujo, como la nucleación de burbujas durante cavitaciones, la ebullición instantánea y la emulsión del agua, así como los procesos de fragmentación mayor de estructuras líquidas formadas. El objetivo principal de los investigadores era comprender y crear modelos de estos procesos en el marco de un modelo de DFC de simulación de grandes remolinos (LES, por sus siglas en inglés). «En este método, los procesos no resueltos de escala inferior a la maya (SGS, por sus siglas en inglés) ya mencionados necesitan modelización, mientras que su efecto en escalas de ingeniería a escalas de tiempo de computación asequibles se logra mediante simulaciones numéricas», explica Gavaises. A través de experimentos personalizados y simulaciones numéricas directas, desarrollaron modelos de cierre SGS relevantes. A continuación, se incorporaron estos modelos a diversos códigos de LES. Los miembros del equipo consideraron fenómenos específicos, incluidos los efectos del colapso de las burbujas de cavitación sobre la atomización primaria del gasóleo y la gasolina, la formación de burbujas/vapor en boquillas de oxígeno líquido, y las propiedades de la mezcla de aire y aceite pesado sobre la atomización en quemadores de aceite, así como el efecto de la aerodinámica de las gotas líquidas, la emulsión del agua, la turbulencia de flujos y el impacto de las gotas contra superficies en su fragmentación.
Aplicaciones industriales
El equipo de HAoS validó las herramientas de simulación desarrolladas cotejándolas con los datos experimentales de referencia recientemente obtenidos. Los modelos punteros actuales carecen de estas herramientas. La validación implicó inyectores de gasóleo y gasolina, atomizadores de explosión de aire, atomizadores Y-jet utilizados con quemadores de aceite e inyectores utilizados con fluidos criogénicos para motores de cohetes. Gavaises concluye: «Esas comparaciones demuestran la aplicabilidad y el valor añadido de los modelos desarrollados para motores de combustión interna, turbinas de gas, quemadores de combustible e incluso inyectores de combustible de motores de cohetes. Como resultado, estos modelos beneficiarán a la industria y a las empresas como a los fabricantes de sistemas de combustión y de inyección de combustible, que los adoptarán como herramientas de diseño para desarrollar nuevos sistemas de inyección de combustible y conceptos de combustión». Además, los resultados de HAoS beneficiarán a la comunidad de la mecánica de fluidos más amplia, que se podrá aprovechar los nuevos conocimientos físicos sobre el vínculo entre el flujo multifásico en la boquilla y la atomización. Por último, el proyecto formó a quince investigadores noveles, lo que impulsa una nueva generación de científicos de la tecnología FIE.
Palabras clave
HAoS, inyección de combustible, atomización, FIE, generación de energía, equipo de inyección de combustible, transporte alimentado por combustibles líquidos, SGS, DFC, LES