Analisi sperimentale e numerica di un bruciatore a swirl

The target of this thesis is to analyze a non premixed swirl burner, with coaxial jets, natural gas fueled . The general goal is to define by CFD analysis a numerical strategy, RANS based, which simulates the combustion of an enclosed jet with high swirl number (Re = 14.300 / S = 1,13 / Φ = 0,9 / 24,8 kW). For this purpose, experimental measures parallel with numerical simulation (obtained by Ansys Fluent 12), both in isothermal conditions and in combustion conditions. At the same time experimental results are compared with numerical results. The experimental activity investigates the frequency of Precessing Vortex Core (PVC), describes the burning jet with imaging, measures the velocities with Particle Image Velocimetry (PIV), and measures the temperature and the composition of exhaust gas at burner’s exit (CO2, O2, CO e UHC). In general, experimental measures were conducted changing the swirl number, the total mass flow and the air/fuel ratio. The definition of the numerical domain and boundary conditions anticipates the main simulation. The numerical activity tests some turbolence models (k-ε and k-ω and many of their versions), radiation models (Discrete Ordinates and P-1) and combustion models (Eddy Dissipation, Eddy Dissipation Concept, Flamelet).

Il presente lavoro di tesi descrive i risultati dello studio di un bruciatore a swirl di tipo non premiscelato, a getti coassiali, alimentato a gas naturale. L’obiettivo generale è quello di mettere a punto una strategia numerica CFD di tipo RANS che consente di simulare la combustione di un getto confinato ad elevato grado di swirl (Re = 14.300 / S = 1,13 / Φ = 0,9 / 24,8 kW). Allo scopo sono state condotte in parallelo campagne di misura sperimentali e simulazioni numeriche (con Ansys Fluent 12), sia in regime isotermo che reattivo, e sono stati messi a confronto i dati sperimentali e i risultati numerici ottenuti. Nell’attività sperimentale si è indagata la frequenza del Precessing Vortex Core (PVC), caratterizzato il getto in combustione con attività di imaging, misurato il campo di moto con tecnica Particle Image Velocimetry (PIV), misurata la temperatura e la composizione dei fumi allo scarico del bruciatore (CO2, O2, CO e UHC). In generale, le misure sperimentali sono state condotte al variare del grado di swirl, della portata totale e del rapporto aria/combustibile. Le simulazioni numeriche sono state precedute dalla definizione del dominio di calcolo e delle relative condizioni al contorno. Sono stati testati diversi modelli di turbolenza (k-ε e k-ω nelle loro varianti), radiazione (Discrete Ordinates e P-1) e combustione (Eddy Dissipation, Eddy Dissipation Concept, Flamelet).