Numerical simulation study on ignition process of hydrogen micro-mixed diffusion combustion chamber

Resumen Técnico: Estudio de Simulación Numérica sobre el Proceso de Ignición en una Cámara de Combustión de Micro-Mezcla de Difusión de Hidrógeno

Planteamiento del Problema

Bajo el objetivo estratégico de la "doble carbono", el hidrógeno es visto cada vez más como un componente crítico para la transformación de las estructuras energéticas de los motores de aviación. Sin embargo, la alta reactividad del hidrógeno, su baja energía de ignición y su amplio rango de ignición presentan desafíos de seguridad significativos, particularmente dentro de los espacios confinados de las cámaras de combustión. La ignición en tales entornos conlleva un alto riesgo de sobrepresión (definida en este estudio como un aumento de presión local que excede el 5% de la presión inicial) y una potencial explosión. Si bien la tecnología de combustión de difusión de micro-mezcla ofrece una solución al dividir las llamas en micro-regiones para mejorar la mezcla y reducir las emisiones, la investigación relativa a los riesgos específicos de ignición y las características de explosión del hidrógeno puro en estos espacios confinados permanece en una "etapa de vacío". La literatura existente se centra principalmente en combustibles dopados con hidrógeno o escenarios de fuga no confinados, dejando un vacío en la comprensión de la dinámica de ignición de las cámaras de micro-mezcla de hidrógeno puro bajo diversas estrategias de inyección e ignición.

Metodología

El estudio emplea un enfoque de simulación numérica utilizando el software ANSYS-FLUENT para investigar el proceso de ignición de una cámara de combustión de difusión de micro-mezcla de hidrógeno.

• Modelo Físico: El dominio de la simulación se basa en un arreglo extendido de la estructura de un inyector individual de tres dimensiones de la Universidad de Cranfield, que presenta una cámara de combustión de 260 mm de largo, una sección de convergencia de cola de 70 mm y seis juegos de inyectores (cada uno con entradas de aire e hidrógeno).
• Configuración Numérica:
  • Algoritmo: Algoritmo acoplado (Coupled) de velocidad basada en presión.
  • Modelo de Turbulencia: Seleccionado basándose en investigaciones previas de Yilmaz Harun et al., asegurando la precisión para la combustión de hidrógeno.
  • Modelo de Combustión: Concepto de Disipación de Remolinos (EDC) para capturar las reacciones químicas en el flujo turbulento.
  • Química: El mecanismo de reacción de hidrógeno complejo de ÓConaire (10 componentes, 21 pasos de reacción).
• Condiciones de Contorno: La relación de equivalencia se fija en 0.4. Las condiciones de entrada incluyen una temperatura de aire total de 422 K y una presión de 243.47 kPa. La fuente de ignición se modela como una fuente de calor de alta temperatura (2000 K, radio de 3 mm).
• Criterio de Seguridad: Refiriéndose a GB/T 42368-2023, se considera que ocurre una explosión si la relación de presión instantánea ($P_r = P_m / P_{t3}$) alcanza o excede 1.05.
• Verificación: La independencia de la malla fue verificada utilizando mallas estructuradas de 0.2 mm, 0.3 mm y 0.5 mm. Se seleccionó la malla de 0.3 mm ya que proporcionaba resultados consistentes con la malla de 0.2 mm cumpliendo al mismo tiempo con los requisitos de precisión.

Principales Contribuciones y Resultados

El estudio analiza sistemáticamente las características de combustión y explosión bajo diferentes tiempos de inyección-ignición (llenado estable, final de llenado, medio llenado) y diferentes cargas iniciales (condiciones de trabajo completas, 1/2 y 2/3).

1. Tiempo de Ignición y Homogeneidad de la Mezcla

• Llenado Estable (Tiempo A): Bajo llenado estable, la llama se propaga de manera relativamente suave pero experimenta un retroceso (backfire) en la etapa inicial. Ocurren eventos de sobrepresión, con la presión máxima más alta ($P_r = 1.185$) apareciendo en $t = 75.5$ ms cerca de las salidas de hidrógeno de los inyectores ④ y ⑤.
• Final de Llenado (Tiempo B): La ignición al final del llenado resulta en una mezcla altamente no uniforme con gradientes de concentración. Esto conduce a la separación de la llama y a riesgos de sobrepresión significativamente mayores en comparación con el llenado estable. El pico de presión más alto alcanzó $P_r = 1.48$ en $t = 194.98$ ms en la línea de inyección del inyector ①.
• Medio Llenado (Tiempo C): Esta condición presenta el campo de flujo más inestable, con aire puro en la segunda mitad de la cámara. La ignición no logra lograr la conexión de la llama y la llama tiende a extinguirse (blow out). El riesgo de sobrepresión es más alto aquí, con un pico de presión de $P_r = 1.54$ en $t = 207.47$ ms. El estudio concluye que la ignición en el tiempo de medio llenado es insegura y poco fiable.

2. Cargas Iniciales y Estrategias de Inyección

• Condición de Trabajo Completa: Exhibe riesgos de sobrepresión moderados con retrocesos frecuentes.
• Condición de Trabajo 1/2: Reducir el número de inyectores activos (solo la mitad inferior) disminuye la temperatura promedio y el calor de reacción pero, paradójicamente, aumenta el número y la amplitud de las sobrepresiones debido a la inestabilidad del campo de flujo.
• Condición de Trabajo 2/3: El uso de los cuatro inyectores centrales con una posición de ignición simétrica (Posición de Ignición 2) reduce significativamente los riesgos. La amplitud de pulsación de presión promedio cae a 0.61 kPa, y solo ocurre un evento menor de sobrepresión ($P_r = 1.072$), el cual se atribuye a una concentración de estrés geométrico específico cerca del inyector ④.

3. Esquema de Ignición Óptimo

El estudio identifica una estrategia de ignición secuencial específica como la solución óptima:

1. Abrir únicamente los dos inyectores de hidrógeno centrales (③ y ④) para establecer una llama estable y simétrica.
2. Después de 50 ms, abrir los inyectores adyacentes (② y ⑤) para expandir la combustión.
   Resultos: Este enfoque simétrico y por etapas elimina por completo los fenómenos de retroceso durante el periodo de detección. No se observaron eventos de sobrepresión ($P_r \geq 1.05$). El calor de reacción y las fluctuaciones de presión permanecen suaves, y la llama se propaga de manera estable sin las oscilaciones violentas vistas en las estrategias asimétricas o no secuenciales.

Significado y Reivindicaciones

El artículo afirma proporcionar el primer soporte teórico para la ignición segura y confiable de las cámaras de combustión de micro-mezcla de combustible de hidrógeno de la aviación de China, abordando un vacío de investigación previamente inexplorado.

• Mecanismo de Sobrepresión: El estudio aclara que la sobrepresión está directamente correlacionada con el retroceso (backfire). Esta ocurre cuando las altas temperaturas locales del retroceso encuentran bordes, esquinas, escalones de inyectores y paredes, causando la acumulación de presión.
• Papel de la Homogeneidad: La investigación demuestra que la inhomogeneidad de la mezcla, la ignición inapropiada y las condiciones de inyección asimétricas son los principales impulsores del aumento de la frecuencia y la amplitud de la sobrepresión.
• Recomendación Práctica: Los autores concluyen que reducir el número de puertos de inyección de hidrógeno bajo condiciones simétricas es un método efectivo para mitigar la sobrepresión. Específicamente, se propone el esquema de ignición de "dos centrales primero, luego expansión" como la estrategia óptima para minimizar la inestabilidad de la combustión y los riesgos de explosión.

El estudio enfatiza que, si bien la condición de carga 2/3 con inyección simétrica reduce el riesgo, la ignición secuencial de dos grupos centrales seguida de la expansión ofrece el proceso más estable con el menor riesgo de sobrepresión, previniendo eficazmente las condiciones que conducen a las explosiones de hidrógeno en cámaras de micro-mezcla confinadas.