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

Sintesi Tecnica: Simulazione di un getto di idrogeno reattivo in un flusso trasversale d'aria: Analisi dell'impatto della spaziatura inter-getto nella progettazione di turbine a gas

Problematica e Motivazione
L'idrogeno è sempre più perseguito come combustibile a basse emissioni di carbonio per le turbine a gas, in particolare per l'adeguamento delle infrastrutture esistenti per il gas naturale. Tuttavia, la combustione dell'idrogeno presenta sfide distinte rispetto ai combustibili idrocarburici, tra cui un'elevata velocità di combustione, una forte diffusività molecolare e temperature adiabatiche di fiamma più elevate, che esacerbano i rischi di flashback, instabilità della fiamma e carico termico eccessivo sulle pareti. Di conseguenza, le moderne strategie pongono l'accento sul mixing su scala di iniettore e sul posizionamento della fiamma, specificamente attraverso i concetti di combustione "micromix".

Sebbene il "getto in flusso trasversale" (JICF) sia una configurazione canonica per lo studio dell'iniezione di combustibile, i combustori pratici utilizzano array di iniettori piuttosto che getti isolati. La letteratura precedente ha stabilito che la spaziatura tra gli iniettori influenza il mixing e la penetrazione in flussi trasversali confinati. Tuttavia, rimane un vuoto nel caso di voler isolare l'impatto specifico della spaziatura inter-getto sulle metriche di prestazione in un contesto di combustore micromix alimentato a idrogeno. Questo studio affronta tale lacuna investigando come la spaziatura inter-getto modifichi l'organizzazione del flusso, le interazioni miscelazione-chimica e le metriche di prestazione rilevanti per la progettazione in un getto di idrogeno turbolento e reattivo.

Metodologia
Gli autori hanno condotto simulazioni numeriche ad alta risoluzione di un getto di idrogeno reattivo che esce in un flusso trasversale d'aria calda. Lo studio ha utilizzato il codice CFD PlasCom2, che impiega una discretizzazione a differenze finite di ordine elevato su coordinate curvilinee overset. Le simulazioni hanno risolto le equazioni di Navier-Stokes comprimibili accoppiate con le equazioni di trasporto delle specie e dell'energia, utilizzando un meccanismo idrogeno-aria ridotto a 9 specie e 12 reazioni. Non è stato impiegato alcun modello di turbolenza Reynolds-averaged o chiusura subgrid esplicita; al contrario, le simulazioni si sono basate sulla risoluzione diretta dei campi di velocità e scalari instabili.

• Configurazione: Un getto di idrogeno con diametro di 1,27 mm ($Re = 2.610$, $Ma = 0,16$) iniettato in un flusso trasversale d'aria calda ($T = 700$ K, $U = 85,66$ m/s, $Ma = 0,17$) a 1 atm. Il rapporto di flusso di quantità di moto era $J = 1,13$.
• Condizioni al contorno: Sono state utilizzate condizioni al contorno periodiche trasversali per modellare una fila di iniettori allineati. La larghezza del dominio trasversale è stata variata per servire come surrogato controllato per la variazione della spaziatura inter-getto ($l_{sp}$).
• Studio Parametrico: Sono stati simulati cinque casi di spaziatura, che vanno da $2D$ a $10D$ (dove $D$ è il diametro del getto), con $6D$ che funge da baseline.
• Strategia di Mesh: È stato impiegato un approccio a due stadi per la mesh. Una mesh di inizializzazione ($G_I$) ha sviluppato il flusso reattivo principale, seguita dall'interpolazione in una mesh di produzione altamente raffinata ($G_P$) per la raccolta delle statistiche medie nel tempo.
• Quantità di Interesse (QI): Tre metriche orientate alla progettazione sono state analizzate all'interno della regione di analisi primaria ($x/D \le 12$):
  1. Portata di idrogeno incombusto a valle: Rapporto di portata massica normalizzato dell'idrogeno incombuto all'uscita.
  2. Tasso di trasferimento del calore alla parete: Flusso termico mediato sull'area verso la parete del combustore.
  3. Concentrazione della temperatura bulk: Una metrica ($\|T\|_2 / \|T\|_1$) che riflette la localizzazione spaziale delle regioni ad alta temperatura.

Risultati Chiave e Conclusioni

1. Organizzazione del Flusso ed Effetti di Bloccaggio:
   La spaziatura inter-getto modula significativamente la coerenza delle strutture vorticose. Una spaziatura stretta ($2D$) porta a un campo vorticoso compatto e coerente che persiste più a valle. Al contrario, una spazenza più ampia permette una rottura precoce delle strutture coerenti.
   Fondamentalmente, la spaziatura agisce come controllo sulla velocità locale del flusso trasversale. La spaziatura stretta crea un effetto di bloccaggio, accelerando la velocità del flusso trasversale nel campo vicino di circa il 15% rispetto al flusso indisturbato. Questa accelerazione riduce il rapporto di velocità locale getto-flusso trasversale ($R_l$). Viceversa, una spaziatura più ampia riduce questo bloccaggio, permettendo al flusso trasversale di rimanere più vicino alle condizioni di flusso indisturbato.

2. Impatto sulla Combustione e sul Mixing:

   • Idrogeno incombuto: La spaziatura più stretta ($2D$) ha prodotto la maggiore portata di idrogeno incombuto (circa il 16% superiore rispetto al caso successivo). Il bloccaggio indotto dall'accelerazione convettiva trasporta il combustibile più rapidamente a valle, riducendo il tempo di residenza per il consumo all'interno del volume di controllo.
   • Trasferimento del calore alla parete: La spaziatura stretta ($2D$ e $4D$) ha generalmente aumentato il carico termico vicino alla parete. Il minimo trasferimento di calore alla parete mediato nel tempo è stato osservato a $8D$.
   • Distribuzione della temperatura: La spaziatura stretta ha promosso un campo termico più concentrato (metrica di concentrazione della temperatura bulk più elevata), mentre una spaziatura più ampia ha prodotto una distribuzione più diffusa.

3. Sensibilità alle Perturbazioni:
   Lo studio ha analizzato la risposta del sistema alla rimozione di un ausilio all'accensione (una perturbazione transitoria). La spaziatura stretta ha soppresso le deflessioni laterali, mentre la spaziatura intermedia-ampia ($6D$ e $10D$) ha mostrato una maggiore sensibilità. Nello specifico, questi casi hanno sviluppato un offset trasversale (bias laterale) sostenuto e persistente nella scia vicino alla parete a seguito della perturbazione. Questo comportamento è legato al rapporto di velocità locale modificato, che colloca il flusso in un regime in cui i modi di scia antisimmetrici sono instabili.

4. Compromesso Ottimale di Spaziatura:
   Il panorama delle prestazioni è non monotono. La spaziatura più stretta ($2D$) è stata sfavorevole a causa dell'alto contenuto di combustibile incombuto, dell'alto trasferimento di calore alla parete e dei campi termici concentrati. La spaziatura più ampia ($10D$) ha reintrodotto penalità riguardanti l'idrogeno incombuto e il trasferimento di calore alla parete, introducendo al contempo un'alta sensibilità alle perturbazioni.
   Lo studio identifica la spaziatura $8D$ come il compromesso ottimale. Questa configurazione ha minimizzato sia la portata di idrogeno incombuto a valle che il trasferimento di calore alla parete, mantenendo al contempo una bassa metrica di concentrazione della temperatura bulk.

Significato e Rivendicazioni
Il documento afferma di aver isolato e interpretato il ruolo specifico della spaziatura inter-getto in un getto di idrogeno turbolento e reattivo, una variabile spesso inserita all'interno di concetti di combustore più ampi. Il contributo primario è l'identificazione di due meccanismi simultanei attraverso i quali la spaziatura altera le prestazioni:

1. Controllo del Trasporto: La spaziatura stretta aumenta il bloccaggio, accelerando il flusso trasversale e riducendo il rapporto di velocità locale, il che ritarda la combustione del combustibile e aumenta la portata di incombusto.
2. Reattività della Scia: Una spaziatura più ampia aumenta la sensibilità alle perturbazioni, portando a deflessioni laterali persistenti della scia.

Gli autori concludono che, per le applicazioni di adeguamento all'idrogeno che utilizzano iniettori micromix, una spaziatura intermedia-ampia (specificamente vicino a $8D$) offre il miglior compromesso tra la minimizzazione del combustibile incombuto, la gestione del carico termico alla parete e il mantenimento della stabilità del flusso contro le perturbazioni transitorie. Lo studio valida l'approccio a due stadi della mesh come metodo pratico per risolvere queste complesse interazioni termochimiche gestendo al contempo i costi computazionali.