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

Resumo Técnico: Simulação de um Jato de Hidrogênio Reagente em Fluxo Cruzado de Ar: Análise do Impacto do Espaçamento Entre Jatos no Design de Turbinas a Gás

Definição do Problema e Motivação
O hidrogênio é cada vez mais buscado como um combustível de baixo carbono para turbinas a gás, particularmente para a modernização (retrofit) de infraestruturas existentes de gás natural. No entanto, a combustão de hidrogênio apresenta desafios distintos em comparação com combustíveis de hidrocarbonetos, incluindo alta velocidade de chama, forte difusividade molecular e temperaturas adiabáticas de chama elevadas, o que exacerba os riscos de flashback, instabilidade de chama e carga térmica excessiva nas paredes. Consequentemente, as estratégias modernas enfatizam a mistura e o posicionamento da chama na escala do injetor, especificamente através de conceitos de combustão "micromix".

Embora o "jato em fluxo cruzado" (JICF) seja uma configuração canônica para o estudo de injeção de combustível, combustores práticos utilizam matrizes de injetores em vez de jatos isolados. A literatura anterior estabeleceu que o espaçamento entre injetores influencia a mistura e a penetração em fluxos cruzados confinados. No entanto, permanece uma lacuna em isolar o impacto específico do espaçamento entre jatos nas métricas de desempenho dentro de um cenário de combustor de micromix alimentado por hidrogênio. Este estudo aborda essa lacuna investigando como o espaçamento entre jatos modifica a organização do fluxo, as interações mistura-química e as métricas de desempenho relevantes para o design em um jato de hidrogênio turbulento e reagente.

Metodologia
Os autores realizaram simulações numéricas de alta resolução de um jato de hidrogênio reagente emitido em um fluxo cruzado de ar quente. O estudo utilizou o código de CFD PlasCom2, que emprega uma discretização de diferença finita de alta ordem em coordenadas sobrepostas e curvilíneas. As simulações resolveram as equações de Navier-Stokes compressíveis acopladas com transporte de espécies e equações de energia, utilizando um mecanismo de hidrogênio-ar reduzido de 9 espécies e 12 reações. Nenhum modelo de turbulência de média de Reynolds ou fechamento de subgrade explícito foi empregado; em vez disso, as simulações basearam-se na resolução direta dos campos de velocidade e escalares não estacionários.

• Configuração: Um jato de hidrogênio de 1,27 mm de diâmetro ($Re = 2.610$, $Ma = 0,16$) injetado em um fluxo cruzado de ar quente ($T = 700$ K, $U = 85,66$ m/s, $Ma = 0,17$) a 1 atm. A razão de fluxo de momento foi $J = 1,13$.
• Condições de Contorno: Condições de contorno transversais periódicas foram utilizadas para modelar uma fileira de injetores em linha. A largura do domínio transversal foi variada para servir como um substituto controlado para a mudança no espaçamento entre jatos ($l_{sp}$).
• Estudo Paramétrico: Cinco casos de espaçamento foram simulados, variando de $2D$ a $10D$ (onde $D$ é o diâmetro do jato), com $6D$ servindo como a linha de base.
• Estratégia de Malha: Uma abordagem de malha em duas etapas foi empregada. Uma malha de inicialização ($G_I$) desenvolveu o fluxo reativo principal, seguida pela interpolação para uma malha de produção altamente refinada ($G_P$) para coletar estatísticas de tempo médio.
• Grandezas de Interesse (QIs): Três métricas orientadas ao design foram analisadas dentro da região de análise primária ($x/D \le 12$):
  1. Throughput de hidrogênio não queimado a jusante: Razão de fluxo de massa normalizada de hidrogênio não queimado na saída.
  2. Taxa de transferência de calor na parede: Fluxo de calor médio na área para a parede do combustor.
  3. Concentração de temperatura global: Uma métrica ($\|T\|_2 / \|T\|_1$) que reflete a localização espacial das regiões de alta temperatura.

Principais Resultados e Descobertas

1. Organização do Fluxo e Efeitos de Bloqueio:
   O espaçamento entre jatos modula significamente a coerência das estruturas vorticais. O espaçamento estreito ($2D$) leva a um campo vortical compacto e coerente que persiste mais longe a jusante. Em contraste, o espaçamento mais largo permite uma quebra precoce das estruturas coerentes.
   Crucialmente, o espaçamento atua como um controle sobre a velocidade local do fluxo cruzado. O espaçamento estreito cria um efeito de bloqueio, acelerando a velocidade do fluxo cruzado próximo em aproximadamente 15% em relação à corrente livre. Essa aceleração reduz a razão de velocidade local jato-fluxo cruzado ($R_l$). Por outro lado, o espaçamento mais largo reduz este bloqueio, permitindo que o fluxo cruzado permaneça próximo às condições de corrente livre.

2. Impacto na Combustão e Mistura:

   • Hidrogênio Não Queimado: O espaçamento mais estreito ($2D$) resultou no maior throughput de hidrogênio não queimado (aproximadamente 16% maior que o caso seguinte). O bloqueio induzido pela aceleração transporta o combustível a jusante mais rapidamente, reduzindo o tempo de residência para consumo dentro do volume de controle.
   • Transferência de Calor na Parede: O espaçamento estreito ($2D$ e $4D$) geralmente aumentou a carga térmica próxima à parede. A transferência de calor média mínima na parede foi observada em $8D$.
   • Distribuição de Temperatura: O espaçamento estreito promoveu um campo térmico mais concentrado (maior métrica de concentração de temperatura global), enquanto o espaçamento mais largo resultou em uma distribuição mais difusa.

3. Sensibilidade a Perturbações:
   O estudo analisou a resposta do sistema à remoção de um auxílio de ignição (uma perturbação transiente). Enquanto o espaçamento estreito suprimiu as deflexões laterais, o espaçamento intermediário a largo ($6D$ e $10D$) exibiu maior sensibilidade. Especificamente, esses casos desenvolveram um desvio transversal sustentado e persistente (viés lateral) na esteira próxima à parede após a perturbação. Esse comportamento está ligado ao modo de razão de velocidade modificado, que coloca o fluxo em um regime onde os modos de esteira antissimétricos são instáveis.

4. Compromisso de Espaçamento Ótimo:
   O cenário de desempenho é não monotônico. O espaçamento mais estreito ($2D$) foi desfavorável devido ao alto hidrogênio não queimado, alta transferência de calor na parede e campos térmicos concentrados. O espaçamento mais largo ($10D$) reintroduziu penalidades em relação ao hidrogênio não queimado e transferência de calor, além de introduzir alta sensibilidade a perturbações.
   O estudo identifica o espaçamento de $8D$ como o compromisso ideal. Esta configuração minimizou tanto o throughput de hidrogênio não queimado a jusante quanto a transferência de calor na parede, mantendo uma baixa métrica de concentração de temperatura global.

Significância e Alegações
O artigo afirma isolar e interpretar o papel específico do espaçamento entre jatos em um jato de hidrogênio turbulento e reativo, uma variável frequentemente inserida em conceitos mais amplos de queimadores. A principal contribuição é a identificação de dois mecanismos simultâneos pelos quais o espaçamento altera o desempenho:

1. Controle de Transporte: O espaçamento estreito aumenta o bloqueio, acelerando o fluxo cruzado e reduzindo a razão de velocidade local, o que retarda o consumo de combustível e aumenta o throughput de não queimados.
2. Receptividade da Esteira: O espaçamento mais largo aumenta a sensibilidade a perturbações, levando a deflexões laterais de esteira persistentes.

Os autores concluem que, para aplicações de modernização de hidrogênio utilizando injetores micromix, o espaçamento intermediário a largo (especificamente próximo a $8D$) oferece o melhor equilíbrio entre minimizar o combustível não queimado, gerenciar a carga térmica da parede e manter a estabilidade do fluxo contra perturbações transientes. O estudo valida uma estratégia de malha em duas etapas como uma abordagem prática para resolver essas complexas interações termoquímicas enquanto gerencia os custos computacionais.