Simulation of a Reacting Hydrogen Jet in Air Cross-Flow: Analysis of Inter-jet Spacing Impact in Gas Turbine Design

Resumen Técnico: Simulación de un chorro de hidrógeno reactivo en flujo transversal de aire: Análisis del impacto del espaciamiento entre chorros en el diseño de turbinas de gas

Planteamiento del problema y motivación
El hidrógeno se busca cada vez más como un combustible de baja emisión de carbono para turbinas de gas, particularmente para la modernización de la infraestructura existente de gas natural. Sin embargo, la combustión de hidrógeno presenta desafíos distintos en comparación con los combustibles de hidrocarburos, incluyendo una alta velocidad de combustión, una fuerte difusividad molecular y temperaturas de llama adiabáticas elevadas, lo que exacerba los riesgos de retroceso de llama (flashback), inestabilidad de la llama y una excesiva carga térmica en las paredes. En consecuencia, las estrategias modernas enfatizan la mezcla a escala del inyector y la ubicación de la llama, específicamente mediante conceptos de combustión de "micromixing".

Si bien el "chorro en flujo transversal" (JICF, por sus siglas en inglés) es una configuración canónica para estudiar la inyección de combustible, los combustores prácticos utilizan arreglos de inyectores en lugar de chorros aislados. La literatura previa ha establecido que el espaciamiento entre inyectores influye en la mezcla y la penetración en flujos transversales confinados. Sin embargo, persiste una brecha al aislar el impacto específico del espaciamiento entre chorros en las métricas de rendimiento dentro de un entorno de combustor de micromixing alimentado por hidrógeno. Este estudio aborda esa brecha investigando cómo el espaciamiento entre chorros modifica la organización del flujo, las interacciones mezcla-química y las métricas de rendimiento relevantes para el diseño en un chorro de hidrógeno turbulento y reactivo.

Metodología
Los autores realizaron simulaciones numéricas de alta resolución de un chorro de hidrógeno reactivo que emana hacia un flujo transversal de aire caliente. El estudio utilizó el código CFD PlasCom2, el cual emplea una discretización de diferencias finitas de alto orden en coordenadas curvilíneas de overset. Las simulaciones resolvieron las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles acopladas con las ecuaciones de transporte de especies y energía, utilizando un mecanismo de hidrógeno-aire reducido de 9 especies y 12 reacciones. No se empleó ningún modelo de turbulencia de promedios de Reynolds ni cierre de submodelo explícito; en su lugar, las simulaciones se basaron en resolver directamente los campos inestacionarios de velocidad y escalares.

• Configuración: Un chorro de hidrógeno de 1.27 mm de diámetro ($Re = 2,610$, $Ma = 0.16$) inyectado en un flujo transversal de aire caliente ($T = 700$ K, $U = 85.66$ m/s, $Ma = 0.17$) a 1 atm. La relación de flujo de momento fue $J = 1.13$.
• Condiciones de contorno: Se utilizaron condiciones de contorno transversales periódicas para modelar una fila de inyectores alineada. El ancho del dominio transversal se varió para servir como un sustituto controlado para el cambio en el espaciamiento entre chorros ($l_{sp}$).
• Estudio paramétrico: Se simularon cinco casos de espaciamiento, que van desde $2D$ hasta $10D$ (donde $D$ es el diámetro del chorro), siendo $6D$ la línea base.
• Estrategia de malla: Se empleó un enfoque de malla de dos etapas. Una malla de inicialización ($G_I$) desarrolló el flujo reactivo principal, seguida de la interpolación a una malla de producción altamente refinada ($G_P$) para recolectar estadísticas de tiempo promedio.
• Cantidades de interés (QIs): Se analizaron tres métricas orientadas al diseño dentro de la región de análisis primaria ($x/D \le 12$):
  1. Rendimiento de hidrógeno no quemado aguas abajo: Relación de flujo másico normalizada de hidrógeno no quemado en la salida.
  2. Tasa de transferencia de calor a la pared: Flujo de calor promedio en el área hacia la pared del combustor.
  3. Concentración de temperatura global: Una métrica ($\|T\|_2 / \|T\|_1$) que refleja la localización espacial de las regiones de alta temperatura.

Resultos clave y hallazgos

1. Organización del flujo y efectos de bloqueo:
   El espaciamiento entre chorros modula significativamente la coherencia de las estructuras vorticales. Un espaciamiento estrecho ($2D$) conduce a un campo vortical compacto y coherente que persiste más hacia abajo en el flujo. Por el contrario, un espaciamiento más amplio permite una ruptura más temprana de las estructuras coherentes.
   Crucialmente, el espaciamiento actúa como un control sobre la velocidad local del flujo transversal. El espaciamiento estrecho crea un efecto de bloqueo, acelerando la velocidad del flujo transversal cercano en aproximadamente un 15% en comparación con el flujo libre. Esta aceleración reduce la relación de velocidad local entre el chorro y el flujo transversal ($R_l$). Por el contrario, un espaciamiento más amplio reduce este bloqueo, permitiendo que el flujo transversal permanezca más cerca de las condiciones de flujo libre.

2. Impacto en la combustión y la mezcla:

• Hidrógeno no quemado: El espaciamiento más estrecho ($2D$) resultó en el mayor rendimiento de hidrógeno no quemado (aproximadamente un 16% superior al siguiente caso). El aumento de la velocidad inducido por el bloqueo conveciona el combustible más rápidamente hacia aguas abajo, reduciendo el tiempo de residencia para su consumo dentro del volumen de control.
• Transferencia de calor a la pared: El espaciamiento estrecho ($2D$ y $4D$) generalmente aumentó la carga térmica cercana a la pared. El mínimo de transferencia de calor a la pared en tiempo promedio se observó en $8D$.
• Distribución de temperatura: El espaciamiento estrecho promovió un campo térmico más concentrado (mayor métrica de concentración de temperatura global), mientras que un espaciamiento más amplio produjo una distribución más difusa.

3. Sensibilidad a las perturbaciones:
   El estudio analizó la respuesta del sistema a la eliminación de un auxiliar de ignición (una perturbación transitoria). El espaciamiento estrecho suprimió las deflexiones laterales, mientras que el espaciamiento intermedio a ancho ($6D$ y $10D$) exhibió una mayor sensibilidad. Específicamente, estos casos desarrollaron un desfase transversal sostenido y persistente (sesgo lateral) en la estela cercana a la pared tras la perturbación. Este comportamiento está vinculado al modo de velocidad local modificado, que sitúa el flujo en un régimen donde los modos de estela antisimétricos son inestables.

4. Compromiso de espaciamiento óptimo:
   El panorama de rendimiento es no monotónico. El espaciamiento más estrecho ($2D$) fue desfavorable debido al alto contenido de combustible no quemado, la alta transferencia de calor a la pared y los campos térmicos concentrados. El espaciamiento más amplio ($10D$) reintrodujo penalizaciones respecto al combustible no quemado y la transferencia de calor, además de introducir una alta sensibilidad a las perturbaciones.
   El estudio identifica el espaciamiento de $8D$ como el compromiso óptimo. Esta configuración minimizó tanto el rendimiento de hidrógeno no quemado aguas abajo como la transferencia de calor a la pared, manteniendo una métrica de concentración de temperatura global baja.

Significancia y afirmaciones
El artículo afirma aislar e interpretar el papel específico del espaciamiento entre chorros en un chorro de hidrógeno turbulento y reactivo, una variable que suele estar integrada dentro de conceptos de quemadores más amplios. La contribución principal es la identificación de dos mecanismos simultáneos por los cuales el espaciamiento altera el rendimiento:

1. Control de transporte: El espaciamiento estrecho aumenta el bloqueo, acelerando el flujo transversal y reduciendo la relación de velocidad local, lo que retrasa el consumo de combustible y aumenta el rendimiento de combustible no quemado.
2. Receptividad de la estela: El espaciamiento más amplio aumenta la sensibilidad a las perturbaciones, provocando deflexiones laterales persistentes en la estela.

Los autores concluyen que, para aplicaciones de modernización de hidrógeno que utilicen inyectores de micromixing, un espaciamiento intermedio a ancho (específicamente cerca de $8D$) ofrece el mejor equilibrio entre minimizar el combustible no quemado, gestionar la carga térmica de la pared y mantener la estabilidad del flujo frente a perturbaciones transitorias. El estudio valida un enfoque de malla de dos etapas como un método práctico para resolver estas interacciones termoquímicas complejas gestionando al mismo tiempo los costos computacionales.