Experimental characterization of turbulent structures in isothermal swirling flows

Hoje o controle da emissão de poluentes é um fator determinante nos sistemas de combustão modernos. A necessidade de reduzir as emissões de NOx e outros poluentes incentivaram o desenvolvimento dos combustores com chama pobre e pré-misturada e, geralmente, ancorada por um gerador de rotação (swirler). O presente trabalho tem como objetivo caracterizar as estruturas turbulentas tridimensionais que conduzem às instabilidades em escoamentos com rotação, num modelo laboratorial de uma câmara de combustão com pré-mistura pobre em combustível (LPM) através da técnica de velocimetría planar (PIV). O segundo objetivo é comparar, através de medições de pressão dinâmica, o combustor padrão com um modificado mais próximo à configuração de um combustor real. Nos resultados dos campos de velocidade média aparece uma zona de recirculação central (ZRC) bem estabelecida para número de Reynolds maiores que 60000 e número de rotação maior que 0,62, com camadas de cisalhamento que se encontram entre as isolinhas de velocidade com valor zero e as regiões de alta velocidade. Ao redor desta ZRC, coincindo com os limites da mesma, encontra-se um vórtice de precessão (PVC) que provoca que a ZRC mude de tamanho e forma, deslocando-se radialmente com relação ao eixo central. Os resultados são coerentes com os encontrados na literatura. A técnica de PIV facilitou a visualização das variações no campo de velocidades instantâneas podendo apreciar a real complexidade da dinâmica do fluxo. Estas flutuações são provocadas pelo PVC e governam os campos do escoamento em tempo real, podendo afetar o desempenho da combustão. Tanto o confinamento na saída, como a diminuição da câmara de pré-mistura provocaram uma mudança nas características acústicas do PVC, encontrando o sinal do mesmo a uma maior distancia que no combustor padrão, mas girando a menor freqüência, sendo mais notável quando a pré-câmara é encurtada. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTCurrently control the emission of pollutants is a determinant factor in modern combustion systems. The need to reduce emissions of NOx and other pollutants has stimulated the development of LPM combustors, anchored by a swirl. The present work aims to characterize the turbulent three-dimensional structures that lead to instabilities in swirling flows in a lean premixed combustor (LPM) through the planar velocimetry technique (PIV). The second objective is to compare a standard combustor, through measurements of dynamic pressure, with a modified combustor so that they can be compared with measurements made in real burners. The results of average velocity fields appears an well established center recirculation zone (ZRC) for Reynolds number greater than 60000 and rotation number greater than 0,62, with shear layers that lie between the contours of zero speed and high speed regions . Around this ZRC and coincides with the limits of it, is found a precessing vortex (PVC) which causes the ZRC change size and shape, changing them radially with respect to the central axis. The results are consistent with those found in previous research. The PIV technique improved visualization of the variations in the instantaneous velocity field can appreciate the real complexities of the dynamic flow. These fluctuations are caused by PVC and govern the flow fields in real time, being able to affect the performance of combustion. Both the confinement on the exit chamber, as the decrease in the premix chamber caused a change in acoustic characteristics of PVC, finding it signature of even greater distance than the standard combustor, but turning the lower frequency, being more noticeable when the premixed chamber is shortened