Analytical analysis of liquid fuel combustion established in a low porosity medium

• Ano de defesa: 2011
• Autor(a) principal: Max Akira Endo Kokubun
• Orientador(a): Fernando Fachini Filho
• Banca de defesa: Jerônimo dos Santos Travelho, Fernando Marcelo Pereira
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Propulsão e Combustão
• País: BR
• Resumo em Inglês: In this work, an analytical analysis of the heat transfer, vaporization and burning of liquid fuels in porous media is performed. A low porosity inert medium, filled with a pool of a low volatile liquid fuel, was considered to be under the action of a hot oxidant stream. The main focus of this study is the fluid-dynamical aspects of the reacting flow in porous medium. Under such scope, the present dissertation was divided in three parts, with the aim of detailing the proposed problem. The first part consider a Hiemenz flow established inside a porous medium, under the hypothesis of intense interphase heat exchange: heat transfer regime. The heat provided to the system is delivered from a heated solid wall, located in the plane normal to the impinging flow. The second part consists in replacing the solid wall by a liquid surface that limits the semi-infinite porous medium filled with a low volatile liquid fuel from the semi-infinite porous medium filled with hot oxidant. Under the action of an impinging hot gas, an evaporative regime (heat transfer along with phase change) of the liquid fuel is established. The third and final. part considers, after initiating the evaporative regime and providing flammability conditions, a stationary non-premixed combustion regime (diffusion flame) established inside the porous medium. The Schvab-Ze'ldovich formulation was performed in order to analyze the diffusion flame regime. In the three cases, the conservation equations were solved analytically by using the singular perturbation method. This method is based on the expansion of the solutions in terms of a small parameter, which arises from the existence of several characteristic length scales corresponding to several physical processes. The proposed analysis improved the physical understanding of the fluid-dynamical aspects of a reacting flow on the particular conditions of low porosity and low volatile liquid fuel taking place inside a porous inert medium. Besides, the results can be used as benchmark for direct numerical simulations of in-situ combustion and on the simplification of numerical codes.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2011/01.26.18.00

Neste trabalho é realizada uma análise analítica da transferência de calor, vaporização e queima de combustíveis líquidos em meios porosos. Um meio inerte de baixa porosidade, embebido por uma piscina de combustível líquido de baixa volatilidade é considerado sob a ação de jato de oxidante quente. O foco principal desse estudo são os aspectos fluido-dinâmicos do escoamento reativo dentro do meio poroso. Sob tal escopo, a presente dissertação foi dividida em três partes, com a finalidade de detalhar apropriadamente o problema proposto. Na primeira parte considera-se um escoamento de Hiemenz estabelecido dentro de um meio poroso, sob a hipótese da existência de uma intensa troca de calor inter-fásico: regime de transferência de calor. O calor fornecido ao sistema é proveniente de uma parede aquecida, localizada no plano normal ao jato impingente. Duas situações distintas foram analisadas: temperatura prescrita e um fluxo de calor prescrito. A segunda parte consistiu em substituir a parede sólida por uma superfície líquida, que limita o meio poroso semi-inifinito preenchido por um combustível líquido de baixa volatilidade do meio poroso semi-infinito preenchido pelo escoamento gasoso. Sob a ação do gás quente impingente, um regime de evaporação do combustível líquido (transferência de calor conjuntamente com mudança de fase) foi estabelecido. A terceira e última parte do trabalho foi considerar que após o regime de evaporação ser iniciado, e preenchida as condições de flamabilidade, um regime de chama difusiva estacionária foi estabelecido dentro do meio poroso inerte. A formulação de Schvab-Ze'ldovich foi conduzida para analizar o problema da chama difusiva. Nos três casos estudados, as equações de conservação foram resolvidas analiticamente por meio do método das perturbações singulares. Tal método é basedo na expansão das soluções em termos de um pequeno parâmetro, que emerge devido a existência de diferentes escalas espaciais características, correspondentes aos diferentes processos físicos que ocorrem no meio poroso. A análise proposta melhorou o entendimento físico dos aspectos fluido-dinâmicos de um escoamento reativo ocorrendo nas condições particulares de um meio de baixa porosidade e um combustível líquido de baixa volatilidade. Os resultados obtidos também podem ser usados como comparativos à simulações numéricas de processos de combustão \textit{in-situ} e também na simplificação de códigos numéricos.