Contrastación de modelos para combustión premezclada en aplicaciones de motores de combustión interna

Abstract

El empleo de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por Computational Fluid Dynamics) se ha constituido actualmente en una etapa ineludible para el análisis detallado del flujo de gas dentro de los motores de combustión interna, tanto en el diseño como en su optimización, con el objetivo de aumentar rendimiento, prestaciones y reducir emisiones. La combustión es uno de los procesos más importantes relacionados con estos objetivos, requiriendo por lo tanto de modelos lo más robustos y precisos posible. Además, dado que la combustión en un motor de combustión interna se desarrolla en régimen turbulento, la modelación de la turbulencia y su interacción con el proceso de combustión son aspectos que deben considerarse en conjunto. En este trabajo se presentan resultados de la implementación de una librería de modelos para combustión premezclada en la suite OpenFOAM® integrada a un solver para flujo compresible. En particular, los modelos implementados corresponden a propuestas disponibles en la literatura donde se utiliza el concepto de flamelet para describir el frente de llama y una ecuación de transporte para la Densidad de Superficie de Llama (FSD, por Flame Surface Density), conocidos como modelos de combustión ECFM (Extendend Coherent Flame Model ). La ecuación para la FSD se resuelve en conjunto con una ecuación de transporte adicional para una variable de progreso de la combustión, además de las correspondientes ecuaciones de continuidad, momento y energía. La modelización de la turbulencia se realiza mediante modelos tipo RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes), la cual es una hipótesis en el planteamiento de los modelos implementados. Por otro lado, se considera que la química del problema está representada por una ecuación irreversible de un paso, tornando a la variable de progreso de la combustión en un indicador de la generación de productos de la reacción. El encendido se resuelve, como primera aproximación, mediante la imposición de un valor para la FSD que surge de considerar un frente de llama esférico de un radio predeterminado en el momento y lugar de la ignición. Los modelos implementados se comparan en primer lugar en una bomba de combustión cúbica con turbulencia congelada y donde el encendido de la mezcla se produce en el centro de la misma. Luego se los aplica a un motor de combustión interna alternativo con cámara de combustión tipo pent-roof.