Modelagem da radiação térmica em chamas turbulentas da combustão de metano em ar

• Ano de defesa: 2014
• Autor(a) principal: Centeno, Felipe Roman
• Orientador(a): França, Francis Henrique Ramos
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Aterro sanitário; Lixiviação; Biogás
• Palavras-chave em Inglês: Radiation; Spectral models; Turbulence-radiation interactions; Combustion
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/96316

Este trabalho analisa numericamente a transferência de calor radiativa em uma chama turbulenta de metano-ar. São resolvidas equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia, espécies químicas gasosas e fuligem, e variância da flutuação de temperatura em coordenadas cilíndricas axissimétricas. O modelo de combustão é o Eddy Break-Up – Arrhenius, com reação de combustão em duas etapas. O modelo de turbulência é o k −e padrão. A modelagem das interações turbulência-radiação (TRI - do inglês: Turbulence-Radiation Interactions) considera a “correlação combinada entre coeficiente de absorção e temperatura” e a “autocorrelação de temperatura”. O termo fonte de calor radiativo é calculado com o método de ordenadas discretas, considerando os modelos de gás cinza (GC) e da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG – do inglês: weighted-sum-of-gray-gases) com correlações clássicas e recentes. O modelo linha-por-linha, considerado benchmark, também é empregado no cálculo daquele termo fonte, porém em cálculos desacoplados entre radiação e dinâmica de fluidos computacional (CFD - do inglês: Computational Fluid Dynamics), com o objetivo de avaliar os modelos WSGG e GC. Primeiramente, estudou-se o efeito da radiação térmica dos gases H2O e CO2 através dos modelos GC e WSGG, em cálculos acoplados radiação-CFD. Os resultados mostraram que os campos de temperatura e do termo fonte de calor radiativo, a transferência de calor para a parede da câmara e a fração radiativa, foram sensíveis aos diferentes modelos, enquanto o efeito sobre as concentrações das espécies foi de menor relevância para o modelo de combustão considerado. Os resultados obtidos com o modelo WSGG mais recente ficaram mais próximos dos dados experimentais da literatura, enquanto que a consideração das interações TRI melhorou esta concordância. As principais contribuições das interações TRI foram sobre a temperatura máxima e a fração radiativa, concordando com resultados da literatura. Os efeitos radiativos da fuligem juntamente com os gases também foram estudados, sendo importantes sobre o termo fonte de calor radiativo somente na região onde a fuligem estava presente (aumento de 30%). O fluxo de calor radiativo sobre a parede radial da câmara aumentou 25% na região de maior concentração de fuligem. A contribuição dos gases para a transferência radiativa foi de 92% e a da fuligem foi de 8%. Ao comparar os resultados dos modelos WSGG e GC com a solução benchmark, considerando o meio composto por gases, o modelo WSGG mais recente foi o que apresentou os melhores resultados (erro máximo 22,49%, médio 4,72%), enquanto ao considerar o meio composto por gases e fuligem, os erros foram menores (máximo 11,07%, médio 2,95%).