Simulaçao de grandes escalas para chamas reativas não premisturadas com química detalhada - Nicolas Moises Cruz Salvador (2012)
Muitos dispositivos na indústria aeroespacial trabalham com combustão turbulenta nos seus sistemas de propulsão. O conhecimento sobre este fenômeno é muito importante para explicar seu comportamento físico e químico. Neste contexto, o estudo de modelos que incluam transporte de escalares na zona de reação é importante para compreender e desenvolver máquinas mais eficientes. Ao utilizar dinâmica de fluidos computacional (CFD) em conjunto com os métodos experimentais é possível reduzir o custo e tempo de desenvolvimento destas máquinas. O objetivo principal deste trabalho é adaptar um modelo de combustão turbulenta para chamas difusivas não pré-misturadas, que utiliza a metodologia das equações médias de Reynolds, para um modelo que representa as grandezas turbulentas utilizando simulação de grandes escalas. O modelo foi implementado no código aberto OpenFoam sob o nome de reactingFoamLES. Tal modelo se baseia em taxa de reação finita, por conseguinte, ele resolve as taxas de reação para um número de espécies importantes e, por tanto, precisa de um mecanismo de cinética química. A estrutura numérica foi desenvolvida a partir de um modelo adaptado para o tratamento de combustão para chamas não pré-misturadas com química detalhada. O modelo empregado é o denominado reator parcialmente misturado ou em siglas em inglês PartialStirredReator(PaSR), que é usado em combustão não pré-misturada turbulenta, onde as escalas do tempo químico são separados do tempo turbulento. A validação da implementação SGE do modelo PaSR foi realizada comparando-se os resultados numéricos com resultados experimentais realizados no Laboratório Sandia, do Sandia National Laboratories para o queimado r tipo jato livre, denominado Sidney Sandia. Preliminarmente, foram avaliados três modelos de turbulência presentes no código: o modelo de Smagorinsky, o modelo de uma equação e o modelo dinâmico de uma equação para escoamento turbulento reativo de chama pré-misturada. Essa simulação reproduz dados experimentais do escoamento num canal com obstáculo obtidos no laboratório de ENSMA, na França. Análises numéricas do escoamento inerte e reativo foram realizadas. Para o escoamento inerte o campo de velocidade e o comprimento da zona de recirculação foram comparados, assim como foi feita também uma análise dos espectros de energia obtidos numericamente. A análise do espectro de energia obtido mostra o decaimento de -5/3 presente na simulação em 3D e confirma que a malha é a adequada para capturar os efeitos de sub-malha com o modelo adotado. A simulação com escoamento reativo, considerando uma pré-mistura de Propano (C$_{3}$H$_{8}$) com ar para uma razão de equivalência igual a 0,65, mostra que os valores de velocidade e variável de avanço são bem próximos dos valores obtidos experimentalmente. Com a validação dos modelos de turbulência SGE presentes no OpenFoam, realizou-se a simulação para uma chama não pré-misturada do queimador SANDIA com o modelo de Smagorinsky para sub-malha. O experimento consiste em um queimador alimentado com mistura do combustível de CH4/H2 (1:1 em volume) e de ar como oxidante, que cofluem com uma velocidade de 118 m/s e 40 m/s, respectivamente. Os resultados numéricos foram comparados com os dados experimentais obtidos pela Universidade de Sydney e resultados do Workshop para chamas turbulentas TNF7, que mostra resultados de simulações numéricas obtidas com modelos RANS e SGE de outros laboratórios. O mecanismo químico reduzido utilizado contém 34 espécies e 46 reações. O desempenho deste mecanismo cinético foi avaliado através da comparação do mecanismo reduzido POA com um mecanismo completo, denominado GRIMECH 3.0 para os escalares temperatura, \textit{H$_{2}$0, CO, CO$_{2}$ e OH}. Essa comparação foi obtida na simulação unidimensional para chama contracorrente, com o código de tipo aberto denominado CANTERA. Os principais parâmetros comparados na simulação com PaSR foram: a temperatura, a fração de mistura, as concentrações de \textit{OH, CO, CO$_{2}$ e H$_{2}$O} para 5 perfis radiais dentro da zona de recirculação e no início do jato livre. Os resultados numéricos mostram concordância com os resultados experimentais e com aqueles obtidos numericamente.