Estudio paramétrico de un ciclo de eyección de baja presión para la recuperación de energía térmica de los gases de escape. Optimización de casos con presiones bajas en el flujo secundario Autora: Natalia Esteve Ferrer Director: Vicente Dolz Ruiz
Índice general 1/15 1. Introducción 2. Objetivos 3. Modelado CFD 4. Estudio paramétrico 5. Optimización de la geometría 6. Conclusiones
Introducción 2/15 Ciclos de eyección EYECTOR Figura 1.1. Sistema de refrigeración por eyección.
Introducción 3/15 Cámara de succión Cámara de mezclado Difusor Figura 1.2. Esquema bidimensional del eyector 0 2 1
Objetivos 4/15 Estudiar el comportamiento del flujo en el interior del eyector mediante técnicas CFD. Determinar los parámetros geométricos más importantes que definen su funcionamiento. Obtener una geometría que mejore el comportamiento global.
Modelado CFD 5/15 Preprocesado Cálculo Geometría Mallado Ansys DesignModeler ® Ansys Mesher ® Configuración Resolución Ansys Fluent ® Postprocesado Ansys Fluent ®
Modelado CFD 6/15 Preprocesado Geometría. Figura 3.1. Mitad del dominio bidimensional Mallado. Elementos cuadriláteros celdas Problema axisimétrico División en bloques
Modelado CFD 7/15 Cálculo R-134a. Gas real Uso de datos del NIST Modelo de turbulencia Rango de operaciones de estudio Condición de contornoPresión (bar)Temperatura (K) Entrada principal Entrada secundaria2,93 – 4, Salida9,496 – 12,16404, ,1 Arranque de la tobera Método cuasi-estacionario
Estudio paramétrico 8/15 RESULTADOS Figura 4.1. Contornos del Mach para diferentes ensayos. (a) P2 = 25 bar, P1 = 9,9496 bar (b) P2 = 30 bar, P1 = 10,42 bar (c) P2 = 35 bar, P1 = 13,1 bar (d) P2 = 40 bar, P1 = 11,75 bar
Estudio paramétrico 9/15 RESULTADOS Figura 4.1. Gasto másico principal en función de la presión de entrada del conducto principal. Figura 4.2. Gasto másico secundario en función del ratio de presiones entre la salida y el conducto principal a 35 bar.
Estudio paramétrico 10/15 Figura 4.4. Contornos del Mach para ejemplo de ensayo con flujo reverso Reflujo Figura 4.5. Dirección del flujo para ejemplo de ensayo con flujo reverso
Estudio paramétrico 11/15 RESULTADOS Figura 4.5. Evolución de los gastos másicos en función del ratio de presiones entre la salida y el conducto principal a 35 bar. Figura 4.6. Evolución de la relación de gastos másicos a la entrada en función del ratio de presiones entre la salida y el conducto principal.
Optimización de la geometría 12/15 Criterio de optimización Parámetros geométricos más relevantes Área de garganta de la tobera Longitud cámara de mezclado Gasto másico principal Robustez de la tobera Mezclado de ambos flujos Ratio de arrastre
Optimización de la geometría 13/15 Reducción radio garganta tobera 2 %Aumento longitud cámara mezcla 37,8 % Condiciones de contorno P bar P02,93 - 3,074 bar P110,6 – 11,38 bar Disminuye 56,6 % gasto másico principal Disminuye 3 – 15 % gasto másico secundario Aumenta 95 – 123 % ratio de arrastre El caudal principal no es suficiente para vencer la contrapresión. Los principales límites de las condiciones de contorno se hallan en las presiones de salida y entrada de la tobera.
Optimización de la geometría 13/15 (a) Geometría inicial. (b) Geometría optimizada. Figura 5.1. Contornos del Mach para diferentes geometrías. P0 = 2,93 bar P2 = 40 bar P1 = 11,02 bar
Optimización de la geometría 14/15 Geometría óptima Condiciones de contorno Propiedades del fluido refrigerante Sistema en el que se vaya a integrar
Conclusiones 15/15 El modelado en CFD de un eyector supersónico con fluidos reales es un proceso delicado y que requiere de elevados tiempos de cálculo. Las bajas presiones a la entrada secundaria son las más adecuadas para el correcto arranque de la tobera y el eyector. Los parámetros geométricos que tienen mayor influencia en el comportamiento del eyector son la relación de áreas y la longitud de la cámara de mezclado. La obtención de una geometría óptima depende de las condiciones de contorno. No es posible que se adapte a todo el rango de aplicación de manera adecuada.
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