Confronto tra diverse metodologie di valutazione del grado di swirl in un bruciatore coassiale

A two-component fibre-optic laser Doppler velocimeter (LDV) system has been employed to measure the flowfield characteristics of a confined, isothermal strongly swirling flow in a combustor model. Being a non-intrusive method with high spatial and temporal resolution, this technique is most appropriate for this kind of analyses. Measurements of axial and tangential velocity along a diameter of axisymmetric flow were carried out on an axial plus tangential entry swirl generator that allows to adjust degree of swirl by controlling separately axial and tangential flow rate. The degree of swirl is characterized by a parameter known as swirl number: in the literature there is a universal definition of swirl number defined as the ratio of the axial flux of azimuthal momentum to the axial flux of axial momentum. Depending on the experimental technique used is difficult to measure all terms accurately. For this reason and in order to estimate swirl number using limited data exist an empirical definition of swirl number Sg which allows to estimate the degree of swirl through geometric characteristics of the burner and axial and tangential flow rate. The aim of this work is to provide relation between swirl number defined as momentum ratio and the geometric swirl number for the swirl generator used. Measurements for different operating conditions corresponding to different Reynolds numbers were carried out in order to calibrate the burner over a wide range of flow rates: for each conditions swirl number was calculated through most common swirl definitions and using different methods in order to make comparisons with previous works and select most reliable procedure. Swirl number is found to be sensitive to factors such as the axial location at which measurements can be conducted as well as the presence of walls that confine the swirling jet. In particular, in this analysis, difficulties arise in determining computational domain. The analysis of data obtained clearly shows a transition zone between two different flowfield configurations: this area is difficult to describe through LDV measurements. Peculiar instability of this area makes measurements of velocity meaningless. Swirl numbers of this conditions will be treated with particular attention. Swirl numbers calculated show differences due to approximations that characterize each method. Swirl number appears to be sensitive to Re number too.

L’attività svolta ha come scopo la calibrazione in regime isotermo di un generatore di swirl utilizzando un sistema ottico di misura LDV (Laser Doppler Velocimetry) a due componenti. Tale tecnica per la sua risoluzione spaziale e temporale e per la sua trascurabile intrusività sul campo di moto risulta la più appropriata per questo tipo di indagine. L’attività sperimentale è stata svolta su un bruciatore dotato di generatore di swirl di tipo ad ingressi assiali e tangenziali che permette di regolare il grado di swirl attraverso le portate di aria assiale e tangenziale. In particolare si è concentrata l’attenzione sulla zona primaria del campo di moto eseguendo misure di velocità assiale e tangenziale lungo un diametro del flusso assialsimmetrico uscente dalla bocca del bruciatore. Il grado di swirl è caratterizzabile attraverso un parametro noto come numero di swirl: esiste in letteratura una definizione universale del numero di swirl inteso come rapporto dei flussi di quantità di moto tangenziale ed assiale. A seconda della tecnica sperimentale che si utilizza risulta particolarmente difficile stimare correttamente e accuratamente tutti i contributi. Per questo motivo e allo scopo di stimare il numero di swirl a partire da un numero ridotto di dati si trova in letteratura una definizione di numero di swirl empirico, detto geometrico, che permette, note le caratteristiche geometriche del bruciatore e le portate di aria assiale e tangenziale di stimare tale numero. Obiettivo della calibrazione è quello di trovare un legame tra le due definizioni di swirl (S e Sg). Allo scopo di calibrare il bruciatore per un ampio campo di portate vengono svolte misure di velocità per diverse condizioni operative corrispondenti a differenti numeri di Reynolds della corrente e differenti numeri di swirl geometrico, parametro direttamente proporzionale alla portata di aria tangenziale. Per ognuna delle condizioni viene calcolato il corrispondente numero di swirl attraverso le più comuni definizioni e utilizzando diverse metodologie di calcolo allo scopo di effettuare un confronto con lavori precedenti e selezionare la procedura più affidabile. La stima del numero di swirl risulta un’operazione complessa e sensibile a parecchi fattori. In particolare risulta critica la quota alla quale si svolgono le misure di velocità così come la presenza delle pareti che confinano il getto swirlato. Tali fattori rendono difficile la definizione del dominio di calcolo. Dall’analisi dei dati ottenuti per le condizioni analizzate si riesce ad individuare una zona di transizione tra due configurazioni di moto: tale zona risulta di difficile caratterizzazione mediante le misure LDV. L’instabilità caratteristica di questa zona, infatti, rende le misure puntuali di velocità prive di significato. I numeri di swirl di tale zona verranno trattati con particolare attenzione. I numeri di swirl calcolati mostrano le differenze introdotte dalle approssimazioni che li caratterizzano. Il grado di swirl dei flussi analizzati risulta influenzato dal Re della corrente.