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Julho 2012 CFD Oil
Estudos experimentais e modelagem da combustão em escoamentos turbulentos
Luís Fernando Figueira da Silva
DEM/PUC-Rio
Julho 2012 CFD Oil
Sumário
Estudar combustão?
Aplicações
Contexto da pesquisa
O Problema
Como obter respostas?
Alguns resultados
Perspectivas
Rede Nacional de Combustão
Julho 2012 CFD Oil
Estudar combustão?
85 % da energia gerada no país (BEN, MME)
Transporte, indústrias de geração de energia, transformação, incêndios
Influencia a qualidade de vida e o meio ambiente
Acoplamento entre transformação química e aerotermodinâmica
Fenômeno multi-escalas
Natureza fascinante
Fonte: http://www.portalsaofrancisco.com.br/
Julho 2012 CFD Oil
Aplicações: combustão industrial
Modelagem e otimização de queimadores industriais
Maximizar a transferência de energia para a carga, minimizar as emissões
Problemas de construção do modelo
Óleo combustível pesado: propriedades termoquímicas mal conhecidas
Formação de fuligem
Acoplamento Radiação/ Combustão/ Conveção turbulenta de difícil descrição
Ausência de resultados detalhados para validação
Queimador de refinaria Fonte: Serfaty (2007)
Julho 2012 CFD Oil
Aplicações: combustão em turbinas a gás
Câmara de combustão de TG aeroderivada (parque gerador Petrobras)
Estudo de situações fora do ponto de projeto
Estudo do efeito do intercâmbio de combustíveis (GN, GLP, etanol)
Determinação da emissão de poluentes (NOx, CO)
Parceria ESSS, Petrobras
Julho 2012 CFD Oil
Contexto da pesquisa
Julho 2012 CFD Oil
O Problema … acoplamentos
Turbulência
Tridimensional
Caótica
Não linear
Dissipativa
Dispersiva
Rotacional
Combustão
Exotérmica
Grande energia de ativação
Não linear
Multi-escalas
Mistura
Pequenas escalas
Múltiplos escalares
Spray
Formação e quebra de filmes líquidos
Evaporação e ebulição
Carbonização
Radiação
Meio participante
Formação/consumo de fuligem
Propriedades espectrais complexas dos gases
Não linear
Julho 2012 CFD Oil
O Problema … combustão e turbulência
Interação entre múltiplas escalas de tempo e comprimento
Números adimensionais
Reynolds turbulento (difusividade turbulenta / molecular)
Damkohler (tempo mecânico / químico)
Karlovitz (espessura chama / Kolmogorov)
Diagrama de Borghi Fonte: Peters (1999)
Julho 2012 CFD Oil
Como obter respostas?
Técnicas de diagnóstico da combustão
Desenvolvimento de ferramentas de modelagem
Equipe
Julho 2012 CFD Oil
Diagnóstico da Combustão e Turbulência
Apoio:
Edital CNPq/CT-Energ
R.T. CFD em processos de refino (Petrobras)
Lab. Mecânica dos Fluidos (L.F. Azevedo)
Validação e desenvolvimento de modelos
Estrutura dos escoamentos reativos
Técnicas laser de diagnóstico da combustão
Cluster de computadores do Lab. Comput. Fenômenos de Transporte (parceria A. Nieckele, L.F. Azevedo)
Julho 2012 CFD Oil
Diagnóstico da Combustão e Turbulência
Fluorescência Induzida por Plano Laser (PLIF): medição de OH, CH, etc.
Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV): campo instantâneo de velocidade 3D
Termometria Rayleigh
Incandescência Induzida por Laser (LII): concentração de fuligem
Ombroscopia: diâmetro, distribuição e velocidade de gotas
Julho 2012 CFD Oil
Diagnóstico da Combustão e Turbulência
Foco em técnicas de medição inéditas no Brasil
Queimador “corpo rombudo” clássico
Ensaios com diferentes combustíveis: CH4, H2, C2H5OH
“The Naked Flame”: 1o lugar no Concurso Latino Americano Caribenho de Vídeos Minuto Científico
Julho 2012 CFD Oil
Modelagem LES/PDF
Simulação Numérica das Grandes Escalas (LES): resolve o conteúdo energético do movimento turbulento
Tratar de situações em que os tempos característicos da combustão e da turbulência são da mesma ordem de grandeza
Transporte da função densidade de probabilidade (PDF) das propriedades termoquímicas e das flutuações de velocidade
Tratamento exato do termo de produção química
Redução do número de hipóteses restritivas necessárias ao fechamento das equações de transporte
Flexibilidade na escolha das configurações de reatores a serem estudados
Sistemas que incluam múltiplos reagentes
Não requer hipóteses quanto (I) ao nível de pré-mistura existente entre os reagentes, (ii) ao fechamento do termo de produção das espécies químicas
Julho 2012 CFD Oil
Modelagem LES/PDF
Simulação numérica das grandes escalas (LES) da turbulência:
Campo 3D instantâneo das propriedades do escoamento reativo
Captura o transporte não-gradiente das espécies químicas
Transporte Euleriano da quantidade de movimento
Modelo de transporte de função densidade de probabilidade (PDF) dos escalares reativos e da velocidade:
Não requer hipóteses de fechamento dos termos fontes químicos
Incorpora descrição detalhada da cinética química da combustão
Transporte Lagrangeano estocástico das propriedades termoquímicas
Paralelismo das técnicas utilizadas
Condições de contorno turbulentas: três técnicas distintas
Parceria com a UFU e com Institut Pprime (França)
Julho 2012 CFD Oil
Equipe: 2011/2012
2 pesquisador (Dr.)
1 pesquisador (M.C.)
3 pesquisadores em doutoramento
4 mestrandos
1 técnico informática
2 DTI gestão científica (RNC)
Julho 2012 CFD Oil
Principais resultados recentes
Consolidação da Rede Nacional de Combustão
Criação do laboratório de combustão e turbulência no DEM/PUC-Rio
Simulação numérica das grandes escalas da combustão turbulenta utilizando funções densidade de proabilidade transportadas
Medições simultâneas de velocidade e luminosidade do radical OH em chamas turbulentas
Julho 2012 CFD Oil
Estudo experimental da combustão não prémisturada
Combustão turbulenta de (GN, H2, Etanol) e ar
Estudo de diferentes regimes de combustão
Estruturas instantânea e média do escoamento
Influência da combustão sobre o transporte turbulento
Fonte: Caetano (2012)
Julho 2012 CFD Oil
Estrutura instantânea da chama
Fla
mele
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mele
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extin
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Julho 2012 CFD Oil
Estrutrura instantânea do escoamento
Estudo das propriedades médias e flutuantes do escoamento
Construção de bases de dados de validação e desenvolvimento de modelos
Combustão turbulenta do CH4 e de ar em queimador tipo corpo rombudo
Fora das hipóteses de modelos clássicos:
Parcialmente prémisturada
Estrutura intermitente
Geração de turbulência pela combustão
Vetores velocidade e luminosidade OH: instantâneos
ar CH4 ar
Julho 2012 CFD Oil
Estrutura média da chama turbulenta
Chama média
Descolada da superfície do queimador
Estabilizada em zona de recirculação complexa
Representativo de situações de interesse prático:
Queimadores industriais e turbinas a gás
Situação em que os modelos de combustão clássicos falham
Tese N. Caetano (2011) Linhas de corrente e luminosidade OH: médias
Julho 2012 CFD Oil
Influência da combustão sobre o escoamento
Análise da evolução dos tensores de Reynolds ao longo do escoamento
Hipótese de Boussinesq verificada apenas em parte do escoamento (jato central)
Turbulência gerada pelo movimento intermitente da região de ancoramento da chama (borda do queimador): transporte não gradiente
Necessidade de novos modelos para descrever a interação entre combustão e turbulência
Tensor d
e R
eyno
lds (y
y)
V
elo
cid
ade m
édia
(y)
Julho 2012 CFD Oil
Estudo numérico da combustão prémisturada
Chama estabilizada por gases queimados
Grande número de Reynolds turbulento, número de Damkohler O(1)
Forte interação entre turbulência e combustão
Situação na qual modelos clássicos falham
Fonte: Moreau and Boutier (1977) and Magre et al. (1988)
Julho 2012 CFD Oil
Desenvolvimento de ferramenta
Simulação numérica das grandes escalas (LES) e transporte da função densidade de probabilidade (PDF) dos reagentes e temperatura
Verificação utilizando soluções manufaturadas para combustão
Paralelismo por decomposição de domínio das partes Euleriana e Lagrangeana
Condições de contorno turbulentas na entrada
Julho 2012 CFD Oil
Estrutura instantânea da combustão turbulenta
Tempos característicos da reação química e da turbulência da mesma ordem de grandeza (for a da validade das hipóteses clássicas de separação de escalas)
Frente de chama instantânea corrugada
Temperatura adimensional
Taxa de produção de energia
Fonte: Vedovoto (2012)
Julho 2012 CFD Oil
Propriedades turbulentas médias
Velocidade longitudinal e tensor de Reynolds através da chama turbulenta
Intensificação da turbulência pela chama flutuante
Situação não prevista por modelos RANS
Teses F. O. Andrade (2009) (menção honrosa prêmio Capes) e J.M. Vedovoto (2011)
Publicações: CST, C&F (2011)
Julho 2012 CFD Oil
Perspectivas
Laboratório de Combustão Industrial
Modelagem da combustão e turbulência
Construção de bases de dados experimentais
Rede Nacional de Combustão
Julho 2012 CFD Oil
Laboratório de Combustão Industrial
Apoio: R.T. Combustão e Gaseificação em Processos Industriais
Criação de infraestrutura de maior porte (330 m²) na PUC-Rio
Sala de fornalhas 70 m²
4 células experimentais (> 20 m²)
Ampliação da gama de ensaios e aparatos possíveis
Fornalha projetada em parceria PUC-Rio/IPT/Petrobras
Escala protótipo, acesso óptico
Modelos de transferência de transferência de massa, reação química e equilíbrio de fases, em ambiente confinado com transferência de calor por radiação e convecção
Julho 2012 CFD Oil
Laboratório de Combustão Industrial
Vista geral do laboratorio Fornalha vertical de ensaios
Julho 2012 CFD Oil
Modelagem
Desenvolvimento
Fronteira imersa em combustão
Transporte de múltiplos escalares
Acoplamento de modelos de cinética química detalhada
Modelos de mistura na escala subfiltro
Otimização do paralelismo Lagrangeano
Introdução de modelos (spray, fuligem, radiação, etc.)
Comparação com resultados experimentais próprios
Parceria com Institut Pprime (França), UFU, apoio Petrobras
Julho 2012 CFD Oil
Experimentos
Utilização das técnicas não intrusivas para estudo de
Chamas turbulentas de outros combustíveis: etanol, biocombustíveis, hidrocarbonetos líquidos
Situações fluidodinâmicas mais complexas
Aprendizado
Técnicas ainda não dominadas (Rayleigh, LII, ombroscopia)
Medida simultânea de múltiplos escalares
Desenvolvimento de pósprocessamento avançado:
Densidade de superfície de chama
Correlações escalares/velocidade
Julho 2012 CFD Oil
Rede Nacional de Combustão
Ser a referência no país para os setores produtivo e social e, desta forma, contribuir decisivamente para a superação de problemas científicos, tecnológicos, industriais, sociais e estratégicos no campo da combustão e em setores correlatos
Congrega cerca de 200 profissionais de 27 insitutições no país
Desenvolvimento de projetos em Rede (MCT, Capes/ProEng, Petrobras)
Julho 2012 CFD Oil
Rede Nacional de Combustão
Organização de 3 Escolas de Combustão
Mesas redondas temáticas
Informes sobre a tecnologia desenvolvida na Rede
Atuação junto aos órgãos de fomento
Gestão científica e tecnológica
Formação de recursos humanos
Infraestrutura de pesquisa
Homepage: consolidação e distribuição livre da informação
Seção brasileira do Combustion Institute
Julho 2012 CFD Oil
Rede Nacional de Combustão
Expansão para América Latina
Combustion Institute
Mesas redondas temáticas
IV Escola de Combustão (Belém, junho 2013)
– Torrefação de biomassa
– Combustão em motores
– Palestras plenárias
– Sessões de poster de alunos
Julho 2012 CFD Oil
The Naked Flame
The Naked Flame