ESTUDO EXPERIMENTAL DA COMBUSTÃO UTILIZANDO TÉCNICAS LASER

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1 ESTUDO EXPERIMENTAL DA COMBUSTÃO UTILIZANDO TÉCNICAS LASER Aluno: Kevin Lange Orientador: Luis Fernando Figueira da Silva. Introdução A combustão é responsável por cerca de 80% da energia gerada pelo homem no mundo. Ela está presente nos mais diversos aspectos da nossa sociedade, indo do simples cozimento de alimentos à produção de energia elétrica em centrais termoelétricas. De fato, a combustão é essencial para a indústria, como por exemplo na fabricação de aço, cimento e diversos materiais utilizados diariamente. Outra grande área de presença da combustão são os meios de transporte terrestre, aéreo e marítimo. Em todas estas aplicações são necessários estudos aprofundados da combustão para minimizar seus efeitos nocivos ao meio ambiente e maximizar sua eficiência energética e econômica. Estes estudos envolvem compreender a dinâmica das chamas turbulentas, as quais são encontradas nestas aplicações. No Laboratório de Combustão e Turbulência do DEM/PUC-Rio são realizados experimentos em um queimador do tipo rombudo, no qual o combustível e ar são injetados separadamente. São feitas medições que empregam técnicas baseadas em laser, as quais permitem caracterizar detalhadamente o campo de velocidade e de concentração do radical OH em chamas turbulentas e laminares. Estas técnicas são a velocimetria por imagem de partículas (PIV) [] e a fluorescência induzida por plano laser (PLIF). Este estudo, iniciado no º semestre de 20, se insere, assim, na continuidade dos trabalhos desenvolvidos no DEM/PUC-Rio por alunos de graduação e de pós-graduação. 2. Objetivos Este estudo envolve três objetivos principais: () estudar o comportamento médio de chamas turbulentas de gás natural e de ar a partir de medidas obtidas com a técnica PIV, (2) determinar o comportamento das propriedades estatísticas do escoamento como função do número de campos de velocidade medidos e (3) desenvolver um programa de pós-processamento dos resultados de velocidade medida. 3. Desenvolvimento do trabalho 3.. Metodologia e Experimento Uma vez que o estudo dos processos de combustão não faz parte do currículo da graduação em Engenharia Mecânica, a primeira etapa deste trabalho constituiu-se em um estudo dirigido dos fundamentos da combustão [2] e das técnicas de medição existentes no laboratório. Para a medição da velocidade do escoamento turbulento foi utilizada a técnica de velocimetria por imagem de partículas (PIV). De forma sucinta, na técnica PIV dois

2 pulsos luminosos consecutivos são emitidos por um laser. Esses feixes de luz, que atravessam a região de interesse do escoamento após terem sido expandidas em plano, são espalhados por partículas traçadoras que se encontram dispersas no combustível e no oxidante. São então capturadas imagens sucessivas da posição das partículas na região de escoamento, com ou sem chama, graças a duas câmeras CCD. A partir dessas imagens é possível determinar o deslocamento das partículas que, na situação em que se deu diâmetro é suficientemente pequeno, representa a velocidade do escoamento. Um software de pós-processamento correlaciona as partículas de cada par de imagens e cria então campos de velocidade. Esta técnica permite criar um campo vetorial de duas (ou três) dimensões de velocidade do fluido no plano de medição. Esta técnica foi empregada por Caetano (202) [3] para obter dados de experimentos envolvendo escoamentos gasosos, com ou sem combustão, em diferentes condições de turbulência. Na Figura aparecem alguns componentes da bancada de experimentos do laboratório, enquanto a Figura 2 representa de forma esquemática o funcionamento do PIV de duas dimensões, onde podemos ver o laser, o plano de luz, as partículas traçadoras e a correlação entre as janelas de interrogação. Figura : Bancada de experimentos do Laboratório de Combustão e Turbulência. Figura 2: Disposição geral de um sistema PIV 2D. [4]

3 3.2. Resultados experimentais existentes Dentre os diversos experimentos realizados anteriormente no laboratório, foram selecionados três conjuntos de mil campos vetoriais. Figura 3: Campos vetoriais instantâneos das velocidades dos casos, 2 e 3 respectivamente. Figura 4: Campos vetoriais médios (mil imagens) das velocidades dos casos, 2 e 3 respectivamente. Cada um destes casos representa diferentes condições de escoamentos turbulentos. Na Figura 3 observamos campos vetoriais de velocidade instantâneos dos três casos estudados, enquanto que na Figura 4 se encontram os campos vetoriais médios formados por mil campos instantâneos, cada. O detalhe das condições experimentais consideradas pode ser encontrado no trabalho de Caetano [3]. Esses resultados são utilizados como base para uma análise estatística da independência das propriedades médias do escoamento como função do número de campos instantâneos. 4. Processamento dos dados experimentais 4.. Metodologia Em cada experimento realizado para estudar o comportamento do escoamento turbulento foram medidos mil campos vetoriais de duas componentes de velocidade. Neste trabalho foi criado um programa computacional, escrito na linguagem C, para obter os momentos estatísticos destes campos vetoriais. Esse programa permite, dado um conjunto de campos vetoriais, determinar, para cada i-ésimo campo:

4 o valor e o ponto de discrepância máxima das propriedades do escoamento: Ψi=max φi =max Φ(i+)-Φ(i), () o valor e o ponto da discrepância máxima relativa: ζi =max Φ(i+)/Φ(i), (2) a norma euclidiana das discrepâncias em cada ponto da região estudada: Ψi=[Σ( φi)²]½, (3) Variando-se o número de campos vetoriais utilizados para calcular as médias, foi estudado o comportamento das componentes médias da velocidade no plano de medição (Vx e Vy) e dos tensores de Reynolds (XX, XY e YY). Os tensores de Reynolds indicam o nível de agitação turbulenta no escoamento. Portanto, para cada um dos três casos estudados foram calculadas médias de campos com N=,..., e determinadas as quantidades definidas pelas equações ()-(3) Resultados e discussões Inicialmente é analisado o resultado do processamento dos campos vetoriais do Caso. A Figura 5 mostra a evolução do valor da discrepância máxima[eq.()] das componentes Vx e Vy em função do numero de campos vetoriais em um gráfico em escala logarítmica: y = 3.924x y = 3.255x Vx Vy 0. Figura 5: Resultado obtido para a discrepância máxima das velocidades do Caso em escala logarítmica, campo completo. Esta figura mostra que o valor da discrepância de Vx cai monotonicamente quando N aumenta, enquanto a de Vy exibe um patamar para N> 32. Uma análise dos pontos em que a máxima discrepância ocorre mostra que a partir de N=32 todos os pontos de máximo estavam situados na mesma posição, na vizinhança da borda inferior da região de medição. Nas regiões de borda podem existir interferências da luminosidade de objetos situados envolta da região de estudo, como por exemplo, o próprio queimador. Assim o processamento foi refeito retirando-se todas as bordas dos campos vetoriais. A Figura 6 mostra o resultado correspondente.

5 .0 y = x Vx y = x Vy 0.0 Figura 6: Resultado obtido para a discrepância máxima das velocidades do Caso em escala logarítmica, caso reduzido. Esta figura mostra que as duas curvas de discrepâncias máximas das componentes da velocidade em relação ao número de campos vetoriais exibem uma inclinação muito próxima de x-½. Como foi encontrado um comportamento análogo para os três casos estudados, daqui em diante são analisados apenas os resultados obtidos desconsiderando as bordas da região de interesse. Ao analisar os resultados pudemos concluir que o cálculo das discrepâncias máximas relativas varia de forma aleatória e não contribui ao estudo deste experimento. Observamos esse comportamento aleatório na Figura V(x) V(y) 0 00 Figura 7: Resultado obtido para a discrepância máxima relativa [Eq.(2)] das velocidades do Caso em escala logarítmica, caso reduzido. A seguir podemos observar os resultados obtidos para os três casos estudados. Nas Figuras 8- encontram-se a evolução das discrepâncias máximas e as médias Euclidianas das velocidades e dos tensores de Reynolds para cada caso estudado. A reta de x-½ serve de comparação. Observamos que para os três casos as 5 componentes dos parâmetros estudados têm uma inclinação similar à reta x-½. No entanto, devido à imprecisões experimentais, algumas retas se cruzam.

6 Figura 8: Resultados das Normas Euclidianas e Discrepâncias máximas do Caso, respectivamente Figura 9: Resultados das Normas Euclidianas e Discrepâncias máximas do Caso 2, respectivamente Figura : Resultados das Normas Euclidianas e Discrepâncias máximas do Caso 3, respectivamente

7 5. Conclusões O estudo permitiu demonstrar que a média dos diversos parâmetros do escoamento analisados converge com a raiz quadrada do número de imagens processadas. Para os experimentos realizados, o uso de 500 campos vetoriais resulta em valores médios que diferem daqueles calculados com 00 campos de menos de 3%. Assim, a utilização de 00 imagens para cada pós-processamento realizado não parece ser necessária. O programa desenvolvido é de simples manuseio e pode ser adaptado para outros experimentos e operações numéricas específicas. Este trabalho será interrompido uma vez que o aluno foi aceito no programa de duplo-diploma com a École Centrale Nantes (França). 6. Referências - RAFFEL, M., Particle Image Velocimetry: A Practical Guide (Experimental Fluid Mechanics), 2.ed, 2002, Springer, 253p. 2- TURNS, S.R., An Introduction to Combustion, Concepts and Applications, 3.ed, 20, McGraw-Hill Science, 752p. 3- CAETANO, N.R., Estudo experimental de chamas turbulentas não prémisturadas empregando simultaneamente as técnicas de diagnóstico laser PLIF e PIV, 202, Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. 4- Manual do pós-processador La Vision