Estudos experimentais e modelagem da combustão em escoamentos turbulentos. Luís Fernando Figueira da Silva DEM/PUC-Rio

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1 Estudos experimentais e modelagem da combustão em escoamentos turbulentos Luís Fernando Figueira da Silva DEM/PUC-Rio

2 Sumário Estudar combustão? Aplicações Contexto da pesquisa O Problema Como obter respostas? Alguns resultados Perspectivas Rede Nacional de Combustão

3 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:

4 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)

5 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

6 Contexto da pesquisa

7 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

8 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)

9 Como obter respostas? Técnicas de diagnóstico da combustão Desenvolvimento de ferramentas de modelagem Equipe

10 Apoio: Diagnóstico da Combustão e Turbulência 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)

11 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

12 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

13 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

14 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)

15 Equipe: 2011/ pesquisador (Dr.) 1 pesquisador (M.C.) 3 pesquisadores em doutoramento 4 mestrandos 1 técnico informática 2 DTI gestão científica (RNC)

16 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

17 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)

18 Estrutura instantânea da chama Flamelet sem extinções Ancoramento intermitente Flamelet com extinções Parcialmente prémisturada

19 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

20 Chama média Estrutura média da chama turbulenta 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

21 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 de Reynolds (yy) Velocidade média (y)

22 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)

23 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

24 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)

25 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)

26 Perspectivas Laboratório de Combustão Industrial Modelagem da combustão e turbulência Construção de bases de dados experimentais Rede Nacional de Combustão

27 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

28 Laboratório de Combustão Industrial Vista geral do laboratorio Fornalha vertical de ensaios

29 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

30 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

31 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)

32 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

33 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

34 The Naked Flame The Naked Flame