Cristiane A. Martins. ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica. 28/03/2007 Cristiane Martins, ITA

Transcrição

1 Chamas sem pré-mistura Cristiane A. Martins ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica

2 O propósito desta apresentação é apresentar considerações sobre o estudo de chamas sem pré-mistura com aspectos pertinentes a modelagem.

3 Apresentação Chamas sem pré-mistura Introdução combustão / chamas Aspectos da modelagem de combustão Configurações experimentais usuais O que é possível obter experimentalmente? Biblioteca TNF (Turbulent Nonpremixed Flames)

4 Introdução - Combustão Combustão : termo de geração (química) x termo de transferência (físico) HT1, HT2, HT3, HTcrit são as retas referentes a transferência de calor Curva G refere-se ao termo de geração de calor.

5 Introdução - Combustão Fenômeno de combustão envolve a interação de fenômenos físicos e químicos.

6 Chamas - Diferentes tipos de chama dependendo da disponibilidade de oxidante. Da esquerda para direita de sem prémistura até prémisturada.

7 Introdução Chama sem pré-mistura A região onde a queima ocorre é denominada chama ou frente de chama. Localização da posição da chama: em chama sem pré-mistura sua localização depende da fração de mistura estequiométrica, ditada por considerações de misturas.

8 Introdução Chama sem pré-mistura Color: Temperature Distribution Black Line: Contour of Stoichiometric Mixture Fraction

9 Chamas - Prática Sistemas práticos envolvem, em geral, chamas parcialmente pré-misturadas

10 Chamas sem pré-mistura - análise Historicamente A análise de chamas sem pré-mistura inicia-se com os de trabalhos Burke e Schumann (1928) Consideraram a reação com sendo de passo único, irreversível e infinitamente rápida indicando que o combustível e o oxidante não poderiam co-existir a menos de uma, matematicamente definida, camada de chama fina.

11 Chamas sem pré-mistura Kuo (1986) Chama laminar (efeito de flutuação dominante) / transição / turbulenta (efeito convectivo domina)

12 Modelagem?? Habilidade de generalizar, extrair o que é comum em diversos problemas, e construir algoritmos efetivos para dar suporte na caracterização, análise e predição de problemas de engenharia.

13 Aspectos da Modelagem de Combustão Processos Químicos auto sustentado pelas reações químicas entre combustível e oxidante. Processos físicos: Transporte de massa, momento e energia.

14 Aspectos da Modelagem de Combustão Processos químicos - três grupos: 1. Processos lentos - formação de NOx, PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons), dioxinas e fuligem. 2. Processos em escalas tempo intermediária - reações de iniciação e formação de CO Processos rápidos - recombinação de radicais e cadeias rápidas de ramificação e propagação.

15 Aspectos da Modelagem de Combustão Por que a turbulência complica a análise da combustão? Uma das razões é que o processo usual de manuseio de valores médios para flutuações turbulentas é ineficiente no manuseio das taxas de formação das espécies químicas, as quais são proporcionais a uma função exponencial da temperatura.

16 Aspectos da Modelagem de Combustão Modelo de Fase Dispersa Gota/dinâmica da partícula Reator Heterogeneo Devolatitização Evaporação Equações de Transporte Massa Momentum (turbulência) Energia Espécies Químicas Modelos de Combustão Premix Parcial// premix Nonpremix Modelo de Poluentes Modelo de Transf Calor Radiativo

17 Em um queimador típico, turbulência, cinética química, radiação térmica e formação de poluentes interagem juntos no espaço de geometrias e condições de contorno complexas. Um queimador utilizado para pesquisa tende a ter duas, no máximo três das complicações citadas acima.

18 Configurações usuais de estudo chamas sem pré-mistura Contrafuxo (chamas laminares) Jato simples Jato com chamas piloto Bluff Body

19 Configurações usuais Contrafluxo Basedo na estabilização por jatos contrários da mistura combustível/oxidante ou simplesmente combustível versus oxidante. Não existe interação com o queimador, portanto, estas chamas não sofrem problema de perda de calor para o queimador. Edge Flame Planar Flame

20 Contra fluxo possibilidades de estudo Estrutura da chama e limites de extinção Geometria simples facilita modelagem analítica Fácil controle de parâmetros como taxa de estiramento

21 Configurações usuais Jato simples PLIF images

22 Jato simples possibilidades de estudo Estudo de transição para regime turbulento Efeitos de difusão diferencial na estrutura da chama Formação de fuligem e radiação térmica Chamas não ancoradas (lifted flame)

23 Configurações usuais Jato com chamas pilotos Piloted jet flame pequenas chamas piloto para estabilizar o jato (altas velocidades). Ao lado, doze pequenas chamas (mistura de C2H2/H2/ar) são utilizadas no estudo de chamas turbulentas. LCP/INPE

24 Jato piloto possibilidades de estudo Condições de contorno simples (escoamento parabólico) Efeitos de interação entre turbulência-química sem fuligem e radiação térmica Extinção local e re-ignição Sydney University Sandia em Livermore, General Electric - Schenectady, NY Delft University Delft /Holanda Laboratório de Combustão e Propulsão, LCP/INPE no Brasil.

25 Jato piloto Montagem realizada ( Martins, 2003) para estudo de chamas turbulentas, tão próxima quanto possível da de Delft

26 Configurações usuais Bluff Body Quando um corpo rombudo bloqueia uma área relativamente grande na saída do queimador, a chama é ancorada pelos produtos quentes capturados no interior da esteira. Propriedades da esteira (tamanho e recirculação) influenciam nas propriedades da chama

27 Bluff-Body possibilidades de estudo Estudo interação turbulência- química Similaridade maior com combustores práticos

28 Em resumo... Queimador bem projetado para pesquisa significa aquele capaz de não somente ancorar uma chama que satisfaça os objetivos do experimento, mas necessariamente possuir condições iniciais e de contorno bem definidas tendo sido bem caracterizado para facilitar modelagem, além de possuir fácil acesso ótico.

29 O que conseguimos medir? Temperatura (média e flutuação) Velocidade (média e flutuação) Espécies Majoritárias Espécies Minoritárias Fuligem

30 Existem inúmeros métodos experimentais utilizados na caracterização de escoamentos reativos / não reativos. Breve relato (sem detalhes) dos métodos operacionais no ITA, IEAv e LCP/INPE.

31 Amilcar Porto Pimenta (ITA) Cristiane Aparecida Martins (ITA) Leila Ribeiro dos Santos (IEAv) Luiz Gilberto Barreta (IEAv) Maria Esther Sbampato (IEAv) Marco Aurélio Ferreira (INPE) Pedro Teixeira Lacava (ITA)

32 Medidas em chamas - temperatura Laminar Flamelet State Relationships based calculation for Sandia piloted CH4- Air Flame D, R. N. Paul, Y. R. Sivathanu and J. P. Gore, Third International Workshop on Measurement and Computation of Turbulent Nonpremixed Flames Boulder, Colorado, July 30 - August 1, 1998

33 Temperatura?? termopar de fio fino Termopar de Fio Fino Pt/PtRh13% 38 µm solda microscópio 200x

34 Chamas - temperatura H = 100 mm condição - chama rica 1800 Temperatura (K) Posição Radial (mm) Krull R.P., Efeitos do Número de Reynolds e da Razão de Equivalência na Emissão de NOx em Chama Difusiva Turbulenta, Dissertação de Mestrado, Inpe, 2006

35 Medidas em escoamentos velocidade anemômetro de fio quente medidas a frio LDA medidas a frio e a quente sonda - fio aquecido de 5µm U$ Laser Doppler Anemometer U$ Sistemas operacionais no ITA.

36 Medidas em escoamentos velocidade PIV Particle Image Velocimetry 28/03/2007 Cristiane Martins, ITA

37 Medidas em Chamas espécies majoritárias sonda refrigerada

38 Medidas em chamas - espécies majoritárias CO 2, CO, O 2, NO x, UHC Sistema operacional no INPE. Condicionamento de amostras (R$30.000) Analisadores de gases (US$ cada) Sistema de aquisição de dados (R$ ) Ferreira, M. A., Martins, C. A. ; Batista, J. C.. Amostragem de Gases e Analisadores - Procedimentos e Recomendações. 2005, INPE RPI/259

39 Medidas em chamas - espécies minoritárias PLIF Planar Laser Induced Fluoresce US$ Permite obtenção de perfil de radicais como OH, NO, CH e C2 Sistema operacional no IEAv / ITA.

40 Radicais em chamas - importância Radicais em chamas?? Chamas turbulentas - flutuações de concentração fornecem informações sobre mistura turbulenta de espécies. Muitos modelos consideram que reações químicas são muito mais rápidas do que a mistura turbulenta - somente é necessário descrever a mistura de uma espécie não reativa, ou escalar conservado. Este escalar usualmente é a fração de mistura, a fração de mistura normalizada de espécies não reativas Modelos de escalar conservado, não podem descrever efeitos de taxas finitas de reação como não-equilíbrio de radicais ou extinção de chamas, ou mesmo química lenta como NO e fuligem.

41 Medidas da concentração de radicais são necessárias para revelar efeitos não previstos pelo modelo de escalar conservado. Um radical particularmente apropriado para tal propósito é o OH. Possui papel relevante na quebra de moléculas e uma das espécies mantenedoras da combustão. Presente próximo a zona de reação, pode ser utilizado como indicativo da taxa de deformação da zona de reação devido a influência da turbulência. Também seu tempo de vida é curto suficiente para seguir a extinção local.

42 Medidas em chamas Fuligem Incandescência Induzida por Laser Baseia-se na interação da radiação do laser com as partículas de fuligem. A absorção da radiação do laser para densidades de potência (fluências) iguais ou maiores que 1 x 10 7 W/cm 2 provoca um aumento da temperatura da fuligem até cerca de 4000K. As partículas sólidas emitem, nestas temperaturas, uma radiação (incandescência) que se aproxima da emissão de um corpo negro. A intensidade da radiação emitida, de acordo com modelos teóricos, confirmados experimentalmente, é linearmente proporcional à concentração da fuligem.

43 Fuligem soot signal [mv] position 3 cm 6 cm 10 cm acoustic pressure [mbar]

44 Técnicas experimentais - conclusão Para obtenção de dados confiáveis há necessidade de se conhecer a aplicação da técnica em detalhes, incluindo suas limitações, bem como a prévia definição das também limitações de seu escoamento. A análise completa de um escoamento que inclui todos os fenômenos conjuntamente ainda não é possível.

45 Técnicas experimentais - conclusão Resolução espacial dos dados obtidos deve ser sempre considerada. Comprimento de escalas de Kolmogorov em algumas chamas podem estar entre 30 a 150 microns, portanto, utilizando estimativas de comprimento de escala a faixa de erro da resolução espacial variará, por exemplo, entre de 3 a 16% dependendo da localização axial na chama e da velocidade do jato.

46 Onde obter dados experimentais para uso em modelagem??

47 TNF (Turbulent Nonpremixed Flames) International Workshop on Measurement and Computation of Turbulent Nonpremixed Flames This workshop is an open and ongoing international collaboration among experimental and computational researchers in turbulent nonpremixed and partially premixed combustion

48 Estudo de chamas turbulentas sem pré-mistura Estabelecer uma biblioteca bem documentada de chamas apropriadas para validação de modelos tendo em vista avanço na compreensão de combustão turbulenta. Fornecer dados para comparações entre laboratórios de resultados simulados e medidos. Identificar prioridades para pesquisa experimental e computacional.

49 Biblioteca TNF Inclui inúmeros dados provenientes das diferentes configurações de fluxo apresentadas. Tendo como partida chamas tipo jato de hidrogênio seguida de chamas de hidrocarbonetos (metano, gás natural e metanol), as quais incluem desafios como extinção local e re-ignição, zonas de reação em chamas não ancoradas, fluxo de recirculação e swirl.

50 Biblioteca TNF

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55 Ênfase atual é interação turbulência-química em chamas gasosas.

56 Análise pormenorizada de escoamentos turbulentos reativos é exigida para a solução de quatro questões principais: - turbulência gerada pela chama; - transporte turbulento e a representação de fluxos turbulentos de momento e escalares; - importância relativa de processos de mistura e de cinética química no controle das taxas médias de reação química; - os efeitos da turbulência na estrutura da chama.

57 Conclusão O sucesso na modelagem química de fluxos reativos promoverá melhor compreensão dos processos complexos de mistura turbulenta em escoamentos reativos fornecendo dados fundamentais para projeto de dispositivos práticos.

58 Obrigada!