Proyecto I+D+i 2019: Contribución a la aviación sostenible a través de la optimización numérica de cámaras con combustión pobre para aeromotores de nueva generación más silenciosos y limpios (QUILECOM).

12 Diciembre 2022

La línea de investigación de Control de Ruido y Gestión Térmica del Instituto CMT-Motores Térmicos de la Universitat Politècnica de València lleva más de veinte años trabajando en temas relacionados con la reducción de las pérdidas energéticas y del ruido generado en los sistemas propulsivos, en especial en los motores de combustión interna alternativos. En un contexto de creciente electrificación de la industria del automóvil y de aumento de la concienciación sobre el impacto del transporte aéreo en el medio ambiente, el equipo de investigación dirigido por el Profesor Alberto Broatch Jacobi trabaja para dar respuesta a las nuevas necesidades surgidas en la sociedad, aplicando los conocimientos obtenidos tras años de experiencia en este sector a campos tan punteros como la gestión térmica de baterías, el diseño de intercambiadores de calor para motores de aviación, o la optimización del ruido de combustión generado por turbinas de gas.

QUILECOM se enmarca en este último ámbito, ya que a pesar de que la aviación constituye un porcentaje reducido del total de las emisiones contaminantes de óxidos de nitrógeno (NOx) a la atmósfera (7% según la Agencia Medioambiental Europea – EEA), es bien sabido que se trata de un sector donde la electrificación completa es extremadamente difícil, y por tanto se requieren otras tecnologías para reducir el impacto de este medio de transporte en el medio ambiente. Entre ellas, una de las tecnologías más prometedoras definidas durante la iniciativa Clean Sky de la Unión Europea, es el uso de la inyección directa pobre (Lean Direct Injection – LDI) en la cámara de combustión. En este concepto, el combustible líquido se inyecta directamente en la cámara de combustión, produciéndose todos los fenómenos de atomización y mezcla en el mismo espacio físico donde tiene lugar la combustión. En la Fig. 1 se muestra un ejemplo de llama LDI, medida en la instalación experimental del proyecto, mostrada en la Fig.2. Las ventajas más reseñables de esta tecnología son la disminución de la temperatura máxima de operación del quemador, factor íntimamente ligado a la generación de NOx, y la reducción del riesgo de autoignición. Sin embargo, esta nueva arquitectura de motor presenta problemas de estabilidad y apagados de llama, así como un incremento del ruido proveniente de la combustión.

Figura 1
Figura 1. Estructura de la llama en el combustor LDI del proyecto
Figura 2
Figura 2: Instalación experimental del combustor LDI

Esta fuente de perturbaciones acústicas proveniente de la combustión ha cobrado gran importancia en los últimos años debido a la progresiva reducción del ruido generado por otras fuentes propias del funcionamiento de la aeronave (estructura, fan, turbina, compresor, chorro propulsivo…). Sin embargo, la comprensión de los fenómenos que dan lugar al ruido de combustión aún es incipiente, ya que están ligados a complejas interacciones entre la acústica, la hidrodinámica y la combustión en sí, por lo que los recursos computacionales requeridos para estudiar las fluctuaciones instantáneas de estos campos son muy elevados y difícilmente asumibles fuera del contexto de los superordenadores. Dentro de este marco, el objetivo del proyecto QUILECOM es desarrollar una metodología computacional escalable para analizar los fenómenos termoacústicos presentes en los modernos motores de turbinas de gas que operan con combustión LDI. Para ello se explotarán las posibilidades de ALYA, un programa de dinámica de fluidos computacional desarrollado por el Barcelona Supercomputing Centre (BSC). En la primera fase del proyecto, mediante un caso de referencia del cual se disponen de datos experimentales, se hará un estudio comparativo de las prestaciones de ALYA frente a las de un código comercial bien conocido, pero menos escalable, en el modelado del comportamiento acústico de un quemador LDI. Estas pruebas iniciales se han realizado mediante el clúster de cálculo del Instituto CMT-Motores Térmicos, mostrado en la Figura 3. En la Fig. 4 y el vídeo adjunto se pueden observar algunos resultados preliminares, en concreto la fracción másica de radicales OH que sirve como indicador de la llama. Una vez concluida esta comparación, se elaborará una biblioteca de datos termoacústicos obtenidos experimentalmente con el quemador atmosférico LDI que posee el Instituto CMT-Motores Térmicos (véase Fig. 2), con el fin de evaluar más extensamente la precisión de ALYA a la hora de emular estos fenómenos en estados de combustión tanto estables como inestables. Con este fin se utilizarán técnicas experimentales avanzadas, entre las que cabe mencionar la velocimetría por imágenes de partículas (PIV) estereoscópica y la quimioluminiscencia OH y CH. Finalmente, después de validar ALYA en este nuevo quemador, se usará este modelo numérico escalable para optimizar su geometría a fin de minimizar el ruido generado.

Figura 3
Figura 3: Clúster de cálculo del Instituto CMT empleado en el proyecto QUILECOM

La consecución satisfactoria de los objetivos del proyecto pondría de manifiesto la capacidad de ALYA para calcular los fenómenos termoacústicos en las cámaras de combustión LDI de motores turbina de gas de última generación. Este hito supondrá un gran avance para las investigaciones en el campo de la generación del ruido directo de combustión de este tipo de motores, ya que la notable capacidad de escalabilidad y paralelización de este código desarrollado por BSC permitirá una reducción drástica del tiempo de cálculo.

Figura 4
Figura 4: Ejemplo de resultado numérico conseguido (fracción másica de radicales OH durante la combustión)

De esta forma, se incrementará sustancialmente la posibilidad de obtener rápidamente resultados numéricos que permitan la comprensión de las interacciones instantáneas que se dan entre la acústica, la hidrodinámica y la combustión en sistemas LDI. Estos avances abrirán nuevas vías de desarrollo de motores de aviación más respetuosos con el medio ambiente, lo que contribuirá a la viabilidad de un transporte aéreo más sostenible. Además, la labor experimental que se prevé realizar en QUILECOM dotará a la comunidad científica de una amplia base de datos experimental que se pondrá a disposición de otros grupos de investigación que requieran estos datos para validar sus simulaciones numéricas.

Investigadores/as Principales del proyecto
Alberto Broatch Jacobi

Alberto Broatch Jacobi es doctor en Ingeniería Industrial por la Universitat Politècnica de València (1995). Catedrático de Universidad desde 2009. Actividad centrada en el estudio de procesos termo-fluido dinámicos aplicado a la industria automovilística, energética y aeroespacial. Experiencia principal en el desarrollo tanto de conceptos emergentes y estrategias innovadoras para la gestión térmica y el control del ruido de vehículos, como de instalaciones experimentales y técnicas de medida para caracterizar sistemas de flujo de fluidos y calor. La difusión de sus trabajos está avalada por más de 80 artículos en revistas indexadas. Ha dirigido numerosos estudios en el marco de 11 proyectos europeos, 23 nacionales o autonómicos y más de 60 proyectos con la Industria.

Antonio Torregrosa Huguet

Antonio Torregrosa Huguet es doctor en Ciencias Físicas por la Universitat Politècnica de València (1993). Catedrático de Universidad desde 2002. Sus actividades de investigación se han relacionado principalmente con la gestión térmica y el control de ruido en motores alternativos. Su experiencia principal se refiere al modelado y análisis de flujos compresibles no estacionarios y no reactivos en motores. Ha publicado más de 70 artículos en revistas indexadas, así como más de 45 contribuciones a congresos científicos. Está a cargo o colabora en numerosos proyectos de investigación, ya sea en cooperación con empresas privadas de automoción o financiados por organizaciones autonómicas, españolas y europeas.

Vídeos relacionados
Vídeo del proyecto: PID2019-109952RB-I00
Proyecto orientado a una de las tecnologías más prometedoras definidas durante la iniciativa Clean Sky de la Unión Europea, como es el uso de la inyección directa pobre (Lean Direct Injection – LDI) en la cámara de combustión. En este concepto, el combustible líquido se inyecta directamente en la cámara de combustión, produciéndose todos los fenómenos de atomización y mezcla en el mismo espacio físico donde tiene lugar la combustión.
Se trata de un video demostrativo de la simulación del comportamiento de la fracción másica de radicales OH durante la combustión.