diseño de difusores
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Resumen sobre la ecuaciones y la metodología de diseño de varios tipos de difusoresTRANSCRIPT
Difusores
En un difusor las perdidas pueden ser asociadas a la fricción o al desprendimiento de capa limite
Desprendimiento de capa límiteResistencia de forma:
En una placa plana, se ha visto que el espesor de la capa límite aumenta con la distancia a partir del borde de ataque, lo que se explica por la deceleración que sufre el fluido a causa del esfuerzo cortante (viscosidad). Este efecto se produce cuando el gradiente de presiones se mantiene nulo a lo largo de la placa plana.
Si se tiene un conducto o sección convergente, la aceleración del flujo compensa la deceleración que sufre por el esfuerzo cortante, y se opone al aumento de espesor de la capa límite.
Sin embargo, si el conducto o sección es divergente, la presión aumenta en la dirección de la corriente, produciéndose un gradiente de presiones adverso, que se opone al movimiento y tiende a retardar el flujo, lo cuál se suma al efecto desacelerador producido por el esfuerzo cortante. Esto produce que la capa límite se pueda separar del contorno, produciéndose el conocido efecto de desprendimiento de capa límite.
Desprendimiento de capa limite
El desprendimiento de capa limite esta asociado al cambio de área respecto a la longitud del difusor (este parámetro puede
ser relacionado con el ángulo de divergencia)
Máxima relación de área antes del primer rompimiento de capa limite
Perdidas por fricción
Otra forma de representar la caída de presión en un difusor
Conservación de masa flujo incompresible
Ecuación de Bernoulli
Evaluación del desempeño de difusores
Coeficiente de recuperación de presión
Coeficiente de recuperación de presión ideal
Eficiencia global
Evaluación del desempeño de difusores
Coeficiente de perdida
Coeficiente de energía cinética
La barra indica ponderado por flujo de masa esta cerca de 0.15 para difusores balanceados y 0.45 para difusores de vertedero y donde la relación entre el diámetro del cesto combustor y el diámetro del difusor es elevada
representa la uniformidad del flujo, un valor de 1 indica completamente uniforme, un valor cercano a 2 indica flujo en el punto de separación
Evaluación del desempeño de difusores
Incorporación del termino de energía cinética en la ecuación de Bernoulli
Por lo tanto:
Desempeño
Difusores cónicos
condición que ofrece una relación de áreas con la mayor recuperación de presión para una longitud no dimensional prescrita
condición que ofrece una longitud no dimensional con la mayor recuperación de presión para una relación de áreas prescrita
𝜃=6𝑜
DesempeñoDifusores bidimensionales
DesempeñoDifusores bidimensionales
Ventajas: • La visualización del flujo es sencilla de obtener para identificar y evitar zonas
con desprendimiento de capa límite• Los cambios en la geometría son sencillos, se puede evaluar el efecto de
parámetros geométricos en el patrón de flujo y su desempeño • Se requiere un menor flujo volumétrico que en difusores anulares.
Desventajas:• La capa limite crece en las paredes laterales, este efecto tiene influencias
importantes en el flujo principal • En modelos bidimensionales solo hay componentes axiales y radiales, por
su parte en modelos anulares existe una componente de velocidad angular.
Difusores anulares
Los valores óptimos de longitud no-dimensional, correspondientes a la línea Cp* para relaciones de áreas desde 1.4 a 3, y son obtenidos mediante la relación (según experimentos):
La efectividad de este tipo de difusor posee una amplia similitud con la efectividad de difusores 2D.
Efecto de las condiciones de entrada
• Perfil de velocidadEl desempeño de difusores balanceados es altamente sensible
• Número de ReynoldsReduce el espesor de capa limite cuando no esta desarrollada, a valores elevados de Re (5x10^4) los difusores se tornan insensibles
• Número de MachMenor a 0,3 – insensibleEntre 0,3-0,6 – el rendimiento es bueno (M=0,4 es recomendado)Entre 0,6-0,7 – el rendimiento disminuye Mayor a 0,7 – desprendimiento de capa limite
• TurbulenciaNo tiene efecto el la línea de primer desprendimiento pero el ángulo de divergencia donde ocurre el desprendimiento completo es mucho mayor
• Pre-rotaciónNo tiene efecto, el ángulo de pre-rotación aumenta cuando el fluido se expande
Difusor balanceado (faired diffuser)
Difusor balanceado
Deficiencias:• La longitud excesiva• El desempeño y estabilidad del fluido
son altamente dependientes del perfil de velocidad
• El desempeño es susceptible a distorsiones térmicas y tolerancias de manufactura
Difusor de vertedero
Alabes divisores
General Electric LM6000 dry low-NOx combustor
Difusores controlados con vórtices
Difusores híbridos
Difusores híbridos con pre-difusor
CFD en el diseño de difusores
Campo de Velocidades predicho por el modelo CFD
Campo de Velocidades obtenido en el experimento
Aerodinámica
Cantidades de referencia
U de referencia se calcula sin el cesto
Aerodinámica
Perdida de presión frías
Relación de caída de presión total respecto
a la presión de entrada
Relación de caída de presión total respecto a la presión dinámica de referencia
Perdida frías en el cesto
Perdida frías en el cesto
Perdidas de presión calientes
Gas ideal
. Los valores de K1 y K2 se obtienen de forma experimental
Relación entre tamaño y perdidas en frio En cámaras de combustión la perdida de presión total es la que dicta las dimensiones de la cámara de combustión
Relación entre tamaño y perdidas en frio
Un incremento del área del cesto combustor puede ser apropiado para una mejor combustión, pero disminuye el área entre el cesto y la cámara, y por lo tanto se reduce la caída de presión en el cesto, seguido de un a reducción el la penetración del aire secundario y de dilución
K= relación entre área transversal del cesto y el área transversal de la cámara , K opt genera un mayor DPL/qpz
Flujo en la zona anular
Pese a que una alta velocidad en la zona anular beneficia la transferencia de calor por convección, una velocidad baja es apropiada ya que:
• Variaciones en el campo de velocidad no afectan la distribución de masa• Se obtiene un elevado coeficiente de descarga en los agujeros• Se obtiene un ángulo de penetración mayor • Se logran una menor perdida de presión debido a la fricción
Algunos requerimientos:• Orificios con base en la presión total aguas
arriba del cesto combustor• Retenedores de flujo en reversa (backstop)
después de los agujeros de dilución• Placas divisorias para evitar vórtices en los
agujeros de dilución
Flujo a través de los agujeros del cesto
Coeficiente de descarga (CD)
El coeficiente de descarga es función de:• El tipo de agujero (plano o sumergido)• La forma (circular o rectangular)• Relación entre el espaciamiento del agujero y la altura del anillo• Caída de presión en el cesto• Distribución de la caída de presión alrededor del agujero dentro del cesto• Presencia de pre-rotación en el fluido aguas arriba• Velocidad anular local del aire
Coeficiente de descargaCoeficiente de descarga para agujeros circulares , de ovalo o rectangulares para flujo incompresible sin giro (Kaddah)
α relación entre el flujo de masa del agujero y el flujo de masa anular
K relación entre la presión dinámica del chorro y la presión dinámica de la corriente en el anillo aguas arriba del agujero
Para agujeros sumergidos (Freeman):
Coeficiente de descarga
Coeficiente de descarga
Para valores elevados de K:• CD alcanza su valor máximo• CD de hace insensible ante
cambios en K
De forma ideal K debe ser mayor a 6 en los agujeros primariosCorriente abajo K mejora ya que la previa extracción de aire produce una reducción de velocidad en la zona anular e incremento de la presión estática
ángulo de chorro inicial
Variación del ángulo de inyección con el coeficiente de caída de presión
K relación entre la presión dinámica del chorro y la presión dinámica de la corriente en el anillo aguas arriba del agujero
Trayectoria del chorro cestos cilíndricos
• Chorro simpleTrayectoria (Lefebvre)
Penetración máxima (Norster)
Penetración máxima (Norster)
Penetración con múltiples chorros
Sridhara
La penetración es menor que la dada por un único chorro debido al bloque producido por los múltiples chorros que acelera la velocidad de los gases
Algunos factores a considerar en el potencial de mezclado del chorro
• El tamaño y (en menor medida) la forma del agujero pasante por donde fluye el chorro
• El ángulo inicial de penetración del chorro• La relación de flujos por cantidad de movimiento, J• La presencia de otros chorros, tanto adyacentes y
opuestos• La proximidad de las paredes• Los perfiles de velocidad y temperatura de entrada
del chorro y del los gases calientes
Mezcla en ductos circulares
Otro tipo de configuración que se encuentra en la literatura es la de secciones rectangulares
Diseño de la zona de dilución
• Método Cranfield
Tubular Anular =
CD = coeficiente de descarga
Longitud de la zona de dilución
Diseño de la zona de dilución
• Método NASA
C= Constante derivada de experimentos J = Relación de flujos por cantidad de movimiento
Otros parámetros de las cámaras de combustión
Factor de patrón
Factor de perfil
Otros parámetros de las cámaras de combustión
Corelaciones para el factor de patrón
𝑇𝑚𝑎𝑥−𝑇 4
𝑇 4−𝑇3
=1−𝑒𝑥𝑝 ((−0,070 𝐿𝐿
𝐷𝐿
∆ 𝑃 𝐿
𝑞𝑟𝑒𝑓)−1
)
𝑇𝑚𝑎𝑥−𝑇 4
𝑇 4−𝑇3
=1−𝑒𝑥𝑝 ((−0,050 𝐿𝐿
𝐷𝐿
∆ 𝑃𝐿
𝑞𝑟𝑒𝑓)−1
)
Cámaras tubulares y tubo-anulares
Cámaras anulares
Pre-rotación del fluido
Tipo de condifuracciones
Pre-rotación axial
Pre-rotación axial
Número de Giro
Gm = flujo axial del momento angular
Gt = empuje axial
Número de giro menor a 0,4 no produce recirculación Número de giro mayor a 0,6 produce un giro fuerte (condición de diseño )
Número de GiroDispositivo de giro anular de angulo constante
𝜃=38𝑜
Zona de recirculación
La curva ABC contiene la zona de recirculaciónEL punto B es llamado punto de estancamientoEl flujo fuera de ABD dirige la recirculación La condición de velocidad axial cero es representada por la curva discontinua
Zona de recirculación
Flujo en reversa
Dispositivos de giro radial