Design and experimental analysis of a lobed swirled burner under isothermal conditions

The aim of this thesis work is to design a swirled burner with a peculiar lobed to provide better mixing capabilities in expectation of a possible utilization in a combustion scenario. In particular the injector is designed to operate in a staged combustion without premixing to avoid flashback and the formation of regions with stoichiometric conditions. To investigate the flow field arising from this geometry, an experimental analysis in isothermal conditions has been conducted using the Stereo Particle Image Velocimetry technique (S-PIV). The design is based on an already existing burner and some modifications have been developed to adapt the new lobed geometry, manufactured using 3D printing technology due to its geometrical complexity. An evaluation of statistical errors of the velocity measurements and statistical convergence have been done to verify the reliability of the obtained results. The experiments were performed fixing the air flow rates while varying the height of the with respect to the main burner plate. Moreover, in an additional test, the height of the was also fixed and split ratio increased to study the influence of it on fluid dynamic behaviour. Results on the mean velocity fields suggest the presence of a Central Reverse Flow Zone (CRFZ), with a major effect on the intensity of it given by the height and split ratio. In particular, an increment of the height corresponds to a stronger swirl and consequently a stronger adverse pressure gradient along the axial component, that hinders the jet penetration, but similar results can be obtained by increasing the split ratio (SR). The low jet penetration is linked to a good mixing, which is a positive feature for an eventual combustion process. A Proper Orthogonal Decomposition (POD) was performed to investigate the presence of coherent structures in the swirled flow. Results show the absence of these structures, indicated by comparing the energy fractions of the first modes and analyzing the time coefficients generated by the decomposition, but further investigations should be done to verify this assumption. The injector could be used in a combustion scenario but further analyses should be performed to investigate further the mixing capabilities and improve it.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è il design di un bruciatore swirlato con un peculiare iniettore lobato al fine di migliorare le capacità di miscelamento in previsione di un possibile utilizzo in combustione. In particolare l’iniettore è progettato per operare in configurazione "staged" combustion senza premiscelamento, per evitare il fenomeno del flashback e la formazione di regioni stoichiometriche. Per indagare il campo di moto derivante da questa geometria, è stata condotta un’analisi sperimentale in condizioni isoterme utilizzando la tecnica Stereo Particle Image Velocimetry (S-PIV). La progettazione si basa su un bruciatore preesistente e sono state sviluppate alcune modifiche per adattarlo alla nuova geometria lobata, ottenuta mediante la tecnologia di stampa 3D, a causa della sua complessità realizzativa. E’ stata effettuata la valutazione degli errori statistici delle misurazioni di velocità e la convergenza statistica per verificare la affidabilità dei risultati ottenuti. Gli esperimenti sono stati eseguiti fissando le portate d’aria, e variando l’altezza dell’iniettore rispetto alla piastra principale della struttura principiale del bruciatore. Inoltre, in un test aggiuntivo, è stata fissata l’altezza dell’iniettore e lo split ratio (SR) è stato aumentato per studiare la sua influenza sul comportamento fluidodinamico. I risultati sui campi di velocità media mostrano in tutti i casi la presenza di una Central Reverse Flow Zone (CRFZ), con una maggiore influenza sull’intensità di questa zona dato dall’altezza dell’iniettore e dallo split ratio (SR). In particolare, un aumento dell’altezza dell’iniettore corrisponde ad uno swirl più intenso, e conseguentemente ad un maggiore gradiente di pressione avverso al getto assiale, che ne ostacola la penetrazione, ma risultati simili possono essere ottenuti incrementando lo split ratio (SR). La bassa penetrazione del getto è legata a un buon miscelamento, il quale risulta una caratteristica positiva per un’eventuale analisi in combustione. Inoltre è stata eseguita una Proper Orthogonal Decomposition (POD) per indagare la presenza di strutture coerenti nel flusso swirlato. Confrontando le frazioni di energia dei primi modi e analizzando i coefficienti temporali ottenuti dalla decomposizione, è stato possibile intuire l’assenza di queste strutture, ma ulteriori indagini devono essere condotte verificare questa supposizione.