Experimental analysis of the isothermal flow field in a double swirl burner

The goal of this thesis is to test a new configuration and analyze the fluid dynamics of a co-axial, co-rotating double-swirled hydrogen burner. The designed parts are integrated into an existing burner originally tested with methane combustion. The configuration includes a tangential injector with four different designs studied, developed and 3D-printed to improve the pre-mixing phase and shape the anchoring of the flame. Furthermore, a nozzle has been specifically designed to adapt to the new dimensions of the gas gun, where the mixing phase will take place. Specifically, the injector is tailored for staged combustion with a rich premixing phase followed by a lean one, aiming to prevent the formation of regions with stoichiometric conditions. An experimental analysis under isothermal conditions was conducted using the Stereo Particle Image Velocimetry technique (Stereo-PIV) to examine the resulting flow field. An assessment of statistical errors in velocity measurements and statistical convergence was performed to confirm the reliability of the obtained results. The experiments were conducted under three different flow conditions: the first one, assumed as nominal, the second one with less premix air, and the third one with less premix air and fuel but same [phi] as the nominal one. The nine analysed cases all have an approximately constant swirl number; it seems that, within the considered range of flow rates and geometries, the swirled injector has a limited impact on the swirl number, result that emerges also from S evaluation. The experimental results show the presence of some typical high swirl flow conditions, such as Central Reverse Flow Zone CRFZ and vortex breakdown, in all the evaluated cases. Comparing the three scenarios, for each MODEL, it can be observed that, while maintaining a constant swirl, increasing the flow rate to the central swirled injector causes the width of the swirled flow to increase, and the CRFZ intensifies. When the flow fields generated by MODEL A and B are compared, it appears that the reduction in diameter reduces the (CRFZ) as well as the tangential momentum at the outlet. The axial holes present in MODEL C seems to work as designed, pushing downstream the CRFZ and preventing it to be too close to injector’s head.

L'obiettivo di questa tesi è testare una nuova configurazione e analizzare il campo di moto di un bruciatore a idrogeno a doppio swirl coassiale e co-rotante. Le parti progettate sono integrate in un bruciatore esistente originariamente testato con la combustione di metano. La configurazione include un iniettore tangenziale con quattro design differenti studiati, sviluppati e stampati in 3D per migliorare la fase di pre-miscelazione e controllare l'ancoraggio della fiamma. Inoltre, è stato progettato appositamente un ugello per adattarsi alle nuove dimensioni del gas gun, dove avverrà la fase di miscelazione. In particolare, l'iniettore è progettato per una combustione a stadi con una fase ricca di premiscelazione seguita da una fase magra, mirando a prevenire la formazione di regioni con condizioni stechiometriche. Un'analisi sperimentale in condizioni isoterme è stata condotta utilizzando la tecnica Stereo Particle Image Velocimetry (Stereo-PIV) per esaminare il campo di moto risultante. Una valutazione degli errori statistici nelle misurazioni della velocità e della convergenza statistica è stata eseguita per confermare la affidabilità dei risultati ottenuti. Gli esperimenti sono stati condotti in tre diverse condizioni operative: la prima, considerata nominale, la seconda con meno portata d’aria di premiscelazione e la terza con meno portata, sia di aria di premiscelazione che di combustibile, ma con lo stesso rapporto di equivalenza di premiscelazione della nominale. I nove casi analizzati hanno tutti un numero di swirl approssimativamente costante; sembra che, all'interno del range considerato di portate e geometrie, l'iniettore swirlato abbia un impatto limitato sul numero di swirl, risultato che emerge anche dalla valutazione dello swirl geometrico. I risultati sperimentali mostrano la presenza di alcune condizioni tipiche di flusso ad alto swirl, come la Central Reverse Flow Zone (CRFZ) e la vortex breakdown, in tutti i casi valutati. Confrontando i tre scenari, per ogni iniettore, si osserva che, pur mantenendo uno swirl costante, aumentare la portata all'iniettore swirlato centrale fa aumentare l’ampiezza del flusso swirlato e intensifica la CRFZ. Quando si confrontano i campi di flusso generati dai MODEL A e B, sembra che la riduzione del diametro riduca la CRFZ, così come il momento tangenziale all'uscita. I fori assiali presenti nel MODEL C sembrano funzionare come progettato, spingendo a valle del flusso della corrente la CRFZ e impedendo che rimanga troppo vicina alla testa dell'iniettore.