Problemas de combustão utilizando OpenFOAM

Introducao e objetivosOpenFOAM: CFD toolbox

Estudo de caso: Pitz & Daily (1983)

Problemas de combustao utilizandoOpenFOAM

Rodolfo Rodrigues

Laboratorio de Processamento de Residuos (LPR)Departamento de Engenharia Quımica

Dezembro, 2009

Rodolfo Rodrigues Problemas de Combustao Utilizando OpenFOAM



IntroducaoFluido-dinamica computacionalObjetivos

Introducao

Processos de combustao tem um papel importante emuma variedade de aplicacoes industriais.Neste sentido, ha muitas razoes para que se modelar esimular um sistema de combustao:

maximizar a eficiencia termica,minimizar a emissao de poluentes,maximizar as vazoes,minimizar os custosou uma combinacao destes.





Fluido-dinamica computacional

Ferramenta numerica para simulacao do fluxo de fluidoscomplexos, transferencia de calor e reacoes quımicas deprocessos.Esta tem ganhado popularidade nos ultimos anossobretudo, pelo crescimento do poder computacionaldisponıvel a um custo acessıvel.Ao se opte por adotar um pacote de CFD, algumasconsideracoes deve ser avaliadas:

facilidade de uso,capacidade de montar a geometria e gerar malhas,eficiencia e robustez das tecnicas numericasimplementadasamplitude dos problemas fısicos que o pacote poderesolver.





Objetivos

Pacotes de CFD comerciais se sobressaem em relacaoaos pacotes gratuitos porem, estes ultimos se destacampela adaptabilidade.Finalmente, os objetivos gerais deste trabalho sao:

Avaliacao geral do pacote de CFD: OpenFOAM,Apresentacao de princıpios basicos e aplicacoes doOpenFOAM para problemas de combustao,Avaliacao das possibilidades de expansao e novosdesenvolvimentos neste ambiente,Apresentacao e avaliacao de um problema de combustaodo seu tutorial.





Objetivos







Objetivos







Objetivos







Objetivos






Introducao e princıpios basicosCaracterısticas basicasUtilizacao a nıvel de usuarioAplicacoes a problemas de combustao

Introducao

Surgiu em 1993, com a criacao do FOAM (Field Operationand Manipulation) por Henry Weller e Hrvoje Jasak noImperial College de Londres.A ideia inicial era ter uma ferramenta para se fazeroperacoes com campos tensoriais.Em 2004 teve seu codigo liberado sob licenca GLP (GnuPublic License) e passando-se a chamar OpenFOAM(Open Field Operation and Manipulation).





Caracterısticas basicas

Conjunto eficiente e flexıvel de modulos escritos emlinguagem C++ que pode ser usado para construir:

1 Solvers para resolver problemas complexos de Engenhariaque envolvam operacoes e resolucoes de campostensoriais,

2 Utilitarios para pre e pos-processamento de dados,3 Bibliotecas para serem usadas pelos solvers e utilitarios, tal

como bibliotecas de modelos fısicos.





Utilizacao a nıvel de usuario

1 Gerar a estrutura de diretorios necessaria para efetuar asimulacao.

2 Pre-processamento: geracao da geometria e da malha edefinicoes de parametros da simulacao.

3 Solucao numerica do problema.4 Pos-processamento: visualizacao dos resultados.





Estrutura de arquivos e diretorios

Figura: Estrutura de diretorios e arquivos necessarios para umasimulacao com o OpenFOAM (FAVERO, 2009).





Aplicacoes em combustao: Solvers disponıveis

Figura: Estrutura de solvers para combustao (Doxygen, OpenFOAM).

1 XiFoam

2 rhoReactingFoam, reactiongFoam3 PDRFoam

4 engineFoam, dieselFoam, dieselEngineFoam,coldEngineFoam





Aplicacoes em combustao: XiFoam

Solver para combustao compressıvel pre-misturada/parcialmente pre-misturada com modelo de turbulencia.E um codigo RANS utilizando o modelo b-Ξ de 2equacoes (WELLER, 1993).Ξ pode ser obtido ou pela solucao da equacao detransporte Ξ ou de uma expressao algebrica.Correlacao de Gulder para velocidade de chama (GULDER,1990).Efeitos das tensoes sao incorporados diretamente naequacao Ξ e nao como uma aproximacao algebrica.





Aplicacoes em combustao: Demais solvers

rhoReactingFoam, reactiongFoam: combustao comreacao quımica com/sem densidade baseada em pacotetermodinamico.PDRFoam: modelo PDR (porosity/distributed resistance)para tratar de regioes contendo bloqueios que nao podemser resolvidas pela malha.engineFoam, dieselFoam, dieselEngineFoam,coldEngineFoam: Motor de combustao interna,combustao de diesel e spray, motor a diesel e spray, motorde combustao interna a frio.





Aplicacoes em combustao: Adicionais

Ha a possibilidade de insercao de mecanismos cineticospor meio de arquivos externos no padrao CHEMKIN.Exemplo:

!******************************************************************! SAMPLE!******************************************************************ELEMENTSO H C N AR HEENDSPECIESH2 HAR N2 HEO OH HCO HO2H2O CO O2 H2O2 CO2REACTIONSH+O2 = O+OH 2.644E+16 -0.6707 17041.00 !GRI3.0 * 1.00O+H2 = H+OH 4.589E+04 2.700 6260.00 !GRI3.0 * 1.19OH+H2 = H+H2O 1.734E+08 1.510 3430.00 !GRI3.0 * 0.80OH+OH = O+H2O 3.973E+04 2.400 -2110.00 !GRI3.0 * 1.11H+H+M = H2+M 1.780E+18 -1.000 0.00 !GRI3.0 * 1.78!******************************************************************




Caracterizacao do sistema estudadoResultados e conclusoes

Breve descricao

Sistema experimental de Pitz e Daily (1983)Chama pre-mistura de propano-ar com φ = 0,57,estabilizada em uma camada turbulenta de cisalhamentolivre formada logo no recuo da sua entradaA velocidade media, pressao e temperatura na entradasao uo = 13,3 m/s, Po = 1 atm e To = 293 K,respectivamente, resultando em um maior numero deReynolds (Re = 22.100).320.000 celulas concentradas na regiao da camada decisalhamento e perto das paredes do canalCondicoes de entrada de Dirichlet sao usados para todasas variaveis, exceto p, para o qual uma condicao deNeumann igual a 0 e aplicada.





Caracterizacao do sistema estudado

Figura: (a) Esquema da geometria do sistema (h = 0,0254 m) juntocom (b) uma representacao instantanea do fluido nao-reagido parauma isosuperfıcie que separa a camada de cisalhamento da regiaode recirculacao e contornos de vortices (WELLER et al., 1998).





Caracterizacao do sistema estudado

Figura: Visualizacao do domınio computacional mostrando (a) umafotografia para 49 µs, (b) a temperatura media para 50 µs, (c) amagnitude instantanea de vortices e (d) a taxa efetiva de reacao(WELLER et al., 1998).





Solucao para o problema de Pitz & Daily (1983)

Figura: U (m/s) e T (K) para os instantes de 0,01, 0,02 e 0,03 s.





Solucao para o problema de Pitz & Daily (1983)

Figura: U (m/s) e T (K) para os instantes de 0,05, 0,1 e 0,5 s.





Referencias I

FAVERO, J. L. Simulacao de escoamentosviscoelasticos: Desenvolvimento de uma metodologia deanalise utilizando o software OpenFOAM e equacoesconstitutivas diferenciais. Dissertacao (Mestrado) —Departmento de Engenharia Quımica. Universidade Federaldo Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009.

GULDER, O. L. Turbulent premixed flame propagationmodels for different combustion regimes. In: 23thSymposium (International) on Combustion. Pittsburgh: [s.n.],1990. (The Combustion Institute), p. 743–750.

PITZ, R. W.; DAILY, J. W. Combustion in a turbulentmixing layer formed at a rearward-facing step. AIAA Journal,v. 21, n. 11, p. 1565–1570, 1983.





Referencias II

WELLER, H. G. The development of a new flame areacombustion model using conditional averaging. London,1993.

WELLER, H. G.; TABOR, G.; GOSMAN, A.; FUREBY, C.Application of a flame-wrinkling LES combustion model to aturbulent mixing layer. In: 27th Symposium (International) onCombustion. [S.l.]: The Combustion Institute, 1998.


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