Numerical investigation of a double swirled burner using URANS turbulence models

The present thesis work is devoted to the analysis of the flow field of a double swirled burner by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. The entire numerical simulation process was carried out during the thesis work: from the generation of the computational grid (mesh), to the selection of physical models and numerical parameters, up to the post-processing of the results. For turbulence modeling, URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes) models were adopted, preferred over the LES (Large Eddy Simulation) approach due to their lower computational cost and reduced spatial resolution requirements. The first case investigated was the isothermal one in the "all-air" configuration, for which experimental validation data are available. The comparison between numerical and experimental results showed that the Reynolds Stress Model (RSM) provides the best accuracy in predicting the mean flow field, particularly in radial velocity maps and profiles. The main recirculation structures observed experimentally are substantially reproduced. However, discrepancies remain in the central recirculation zone and near the injector, where the axial recirculation velocity is underestimated, while maintaining a qualitative trend consistent with the experimental data. Post-processing analyses were also carried out regarding the mass flow rate distribution in the injector holes, the swirl number calculated both in the "bottle" region of the secondary flow and in the octagonal combustion chamber, and the quantification of the recirculated mass flow rate in the central and outer recirculation zones. It emerged that the mass flow distribution in the central injector holes is not uniform. The numerical swirl number is in good agreement with the experimental one up to 10.8 centimetres from the bottom of the combustion chamber, whereas at higher axial positions significant deviations are observed. The analysis of the recirculated mass shows that the main contribution comes from the outer recirculation zone as long as it is present. Beyond the axial position of 11.6 centimetres, this structure disappears and recirculation is attributable solely to the central zone. The final part of the work consists of a preliminary attempt to simulate actual reactant species transport (air and hydrogen) with chemical reactions deactivated. To reduce computational time, penalized by the low momentum flux of hydrogen, two strategies were adopted: (i) the temporary use of artificially modified molar masses, subsequently restored to their real values; (ii) artificial initial filling of the combustor with hydrogen, exploiting the greater ability of air to replace it. Both approaches showed numerical instability in the form of pressure waves, which significantly slowed down the simulation and prevented the acquisition of a sufficient number of temporal samples for reliable and correct statistical analyses. Nevertheless, the work provides a detailed description of the critical issues encountered, offering a methodological and diagnostic basis for future developments.

l presente lavoro di tesi è dedicato all’analisi del campo di moto di un bruciatore doppio swirlato mediante tecniche di Fluidodinamica Computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD). L’intero processo di simulazione numerica è stato affrontato durante il lavoro di tesi: dalla generazione della griglia computazionale (mesh), alla selezione dei modelli fisici e dei parametri numerici, fino alle attività di post-processing dei risultati. Per la modellazione della turbolenza sono stati adottati modelli URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes), preferiti rispetto all’approccio LES (Large Eddy Simulation) per il minore costo computazionale e le ridotte esigenze in termini di risoluzione spaziale. Il primo caso studiato è stato quello isotermo in configurazione "tutta-aria", per il quale sono disponibili dati sperimentali di validazione. Il confronto tra risultati numerici e sperimentali ha evidenziato che il modello Reynolds Stress Model (RSM) fornisce la migliore accuratezza nella previsione del campo medio di moto, in particolare nelle mappe e profili radiali di velocità. Le principali strutture di ricircolo osservate sperimentalmente risultano sostanzialmente riprodotte. Permangono tuttavia discrepanze nella zona di ricircolo centrale e in prossimità dell’iniettore, dove la velocità assiale di ricircolo è sottostimata, pur mantenendo un andamento qualitativo coerente con i dati sperimentali. Sono state inoltre condotte analisi di post-processing relative alla distribuzione della portata massica nei fori dell’iniettore, al numero di swirl calcolato sia nella regione a "bottiglia" del flusso secondario sia nella camera di combustione ottagonale, e alla quantificazione della portata di massa ricircolata nelle zone di ricircolo centrale ed esterna. È emerso che la distribuzione della portata nei fori dell’iniettore centrale non è uniforme. Il numero di swirl numerico risulta in buon accordo con quello sperimentale fino a 10,8 centimetri dal fondo della camera di combustione, mentre a quote superiori si osservano divergenze significative. L’analisi della massa ricircolata mostra che il contributo principale proviene dalla zona di ricircolo esterna finché presente. Oltre la quota di 11,6 centimetri tale struttura scompare e la ricircolazione è attribuibile unicamente alla zona centrale. La parte finale del lavoro consiste in un tentativo preliminare di simulazione del tracciamento delle specie (aria e idrogeno) con reazioni chimiche disattivate. Per ridurre i tempi computazionali, penalizzati dal basso flusso di quantità di moto dell’idrogeno, sono state adottate due strategie: (i) l'utilizzo temporaneo di masse molari artificialmente modificate, successivamente riportate ai valori reali; (ii) riempimento iniziale artificiale del combustore con idrogeno, sfruttando la maggiore capacità dell’aria di sostituirlo. Entrambi gli approcci hanno mostrato instabilità numerica sotto forma di onde di pressione, che hanno rallentato significativamente la simulazione e impedito l’acquisizione di un numero sufficiente di campioni temporali per analisi statistiche affidabili e corrette. Nonostante ciò, il lavoro fornisce una descrizione dettagliata delle criticità emerse, offrendo una base metodologica e diagnostica per sviluppi futuri.