4 DEFINIÇÃO DA GEOMETRIA, MALHA E PARÂMETROS DA SIMULAÇÃO

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Maria das Dores Campelo Lima
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1 4 DEFINIÇÃO DA GEOETRIA, ALHA E PARÂETROS DA SIULAÇÃO 4.1 Fornaha experimenta A fornaha experimenta utiizada como caso teste por Garreton (1994), era de 400kW aimentada com gás natura. Deste trabaho, estão disponíveis as medições experimentais de veocidades médias, reações turbuentas, temperaturas médias, concentrações médias, e fuxos de caor no contorno de importância Geometria da Fornaha A câmara de combustão é ciíndrica, axisimétrica e de eixo horizonta composta por duas partes: seção principa e seção de descarga; e a injeção do ar e do combustíve se dá através de tubos coaxiais. As dimensões mencionadas são apresentadas na Figura 4.1. Seção Principa Seção de Descarga Figura 4.1 Geometria da fornaha experimenta de Garreton (1994) Condições experimentais No experimento de Garreton (1994) a injeção do combustíve (gás natura) é feita por meio do tubo interno, sendo a injeção de ar reaizada peo tubo externo. A composição do gás natura na entrada é de 90% de metano e 10 de nitrogênio em massa. A câmara de combustão opera a uma pressão de 50Pa acima da pressão atmosférica como medida de prevenção contra a entrada do ar ambiente e a umidade reativa é de 80%. Os fuxos de caor nas paredes do combustor são determinados por meio de jaquetas de resfriamento.

2 Definição da Geometria, aha e Parâmetros da Simuação Geometria para a Soução Numérica e aha Na Figura 4.2 é apresentada a geometria utiizada na simuação. Esta corresponde a uma fornaha ciíndrica baseada em Garreton (1994) e, a exempo do que foi feito por Isnard (2000), em seu domínio computaciona, não contempa a seção de descarga (Vide Figura 4.1). Esta simpificação visa a redução do esforço computaciona e do tempo de simuação. Figura 4.2 Geometria da Fornaha Ciíndrica utiizada na simuação. A espessura do tubo referente à injeção de combustíve foi ajustada em 3mm. O domínio computaciona foi dividido em 238 voumes de controe na direção axia e 50 na direção radia. A maha utiizada, como mostram as Figuras 4.3, 4.4 e 4.5, é não uniforme, de modo a obter-se uma mehor resoução, próximo às paredes, às entradas de ar e combustíve. Figura 4.3 aha Utiizada na simuação Visão tota (a inha inferior corresponde à simetria da câmara de combustão). Nas regiões próximas à parede, a maha foi construída respeitando os critérios exigidos pea formuação utiizada, descrita no capítuo terceiro, que diz que o y* deve estar entre 11,25 e 60.

3 Definição da Geometria, aha e Parâmetros da Simuação 76 Figura 4.4 Detahe da aha Utiizada na simuação Regiões da Entrada e da Saída. Figura 4.5 Detahe da aha Utiizada na simuação Região Centra. 4.3 Propriedades Densidade A densidade ρ foi cacuada pea ei dos gases ideais, Pop m ρ = RT Σ (4.1)

4 Definição da Geometria, aha e Parâmetros da Simuação 77 sendo R a constante universa dos gases, é a massa moecuar da espécie, Pop é a pressão de operação no interior da câmara de combustão Caor Específico O caor específico da mistura tem uma forte dependência da sua composição e temperatura. Por essa razão o caor específico da mistura foi definido como sendo uma função, tanto da temperatura como da sua composição. O cácuo é feito por meio de uma média ponderada pea fração mássica dos componentes individuais de caor específico: cp =Σ m cp (4.2) Os componentes individuais foram cacuados em função da temperatura: cp = cp ( T ) (4.3) Os vaores dos componentes individuais do caor específico, em função da temperatura, foram extraídos da iteratura (Knacke) e são apresentados na Tabea 4.1. Componentes individuais do Caor Específico (J/kgK) Temperatura CH 4 O 2 CO 2 H 2 O N 2 CO 300 K 2226,0 914,0 846,0 1958,0 1045,0 1041,0 600 K 3256,0 1005,0 1075,0 2020,0 1075,0 1092, K 4475,0 1084,0 1234,0 2275,0 1164,0 1183, K 5408,0 1136,0 1326,0 2601,0 1239,0 1254, K 5904,0 1175,0 1371,0 2933,0 1283,0 1295, K 6165,0 1215,0 1397,0 2996,0 1314,0 1318,7 Tabea 4.1 Componentes individuais do Caor Específico (principais espécies) Os vaores de viscosidade, condutividade térmica e difusão de massa foram prescritos constantes, tendo como espécie de referência o N 2 por ser a espécie predominante no interior do combustor.

5 Definição da Geometria, aha e Parâmetros da Simuação Viscosidade O vaor assumido para a viscosidade da mistura corresponde ao vaor desta propriedade para o N2 a 763K. µ kg ms 5 = 2,95 10 / (4.4) Utiizou-se para uma das simuações: µ X µ i = (4.5) X j φj onde, µ 1+ µ j w, φj = 1 2 w, 8(1 + ) w, j w, j 2 (4.6) Condutividade Térmica O vaor assumido para a condutividade térmica do fuido corresponde ao vaor desta propriedade para o N2 a 700K. k 2 = 4,54 10 W / mk (4.7) Utiizou-se também para uma das simuações: k = Xk X φ j j (4.8)

6 Definição da Geometria, aha e Parâmetros da Simuação 79 onde, k 1+ k j w, φj = 1 2 w, 8(1 + ) wj, wj, 2 (4.9) Coeficiente de Difusão de assa O vaor para o coeficiente de difusão de massa foi assumido como sendo o mesmo para todas as espécies da mistura. Este vaor corresponde à estimativa do coeficiente de difusão do N2 no ar atmosférico a 700K e 1 atm, usando a equação de Fuer et a (Greankopis, C.J. 1997). D = m s (4.10) 5 2 im, 8,89 10 / 4.4 Condições de Contorno e Parâmetros da Simuação Com o objetivo de simpificar o probema e otimizar o trabaho computaciona, a câmara de combustão ciíndrica apresentada anteriormente neste capítuo, foi modeada como axisimétrica. Esta simpificação eva em consideração a geometria do queimador e possibiita um tratamento bidimensiona para o probema. A chama considerada é difusiva turbuenta. Por meio de tubos concêntricos são injetados o ar e o biogás (Vide Figura 4.2) a 0,1295kg/s a 323K, e 0,0442kg/s a 313K, respectivamente. As composições dos jatos de biogás e ar são apresentadas na Tabea 4.2. O número de Reynods baseado no diâmetro do jato de biogás é aproximadamente

7 Definição da Geometria, aha e Parâmetros da Simuação 80 Espécies Concentrações Em voume Em massa CH 4 35% 18% C 2 H ppmv 0,030% C 3 H ppmv 0,029% C 4 H ppmv 0,027% C 5 H ppmv 0,024% H 2 S 232 ppmv 0,026% O 2 5% 5% CO 2 40% 58% N 2 20% 18% N 2 78% 75,42% O 2 21% 23,20% Ar 1% 1,38% Tabea 4.2 Composição dos jatos de biogás e ar na entrada do combustor Biogás Ar A intensidade turbuenta e o comprimento de escaa foram definidos para a entrada do biogás em 6% e 0,02m e para a entrada do ar em 5% e 0,01m. As constantes utiizadas no modeo k-є foram C1є= 1,4, C2є= 1,9 e C µ = 0,09; os números Prandt e Schmidt turbuentos estão ajustados em 0,7 para o modeo de agnunssen K1= 4,0 e K2= 0,5. Os fuxos de caor através da parede do combustor foram prescritos constantes, a partir de uma estimativa de perda de 20% a partir da potência do combustor. O vaor prescrito do fuxo na parede da fornaha é 26,64kW/m 2. A emissividade da parede da fornaha em todas as suas seções foi definida como igua a 0,6 enquanto que, a da entrada e saída foi definida como sendo igua a 1. No que diz respeito ao modeo de radiação DTR e sub-modeo WSGG, foram utiizadas 120 superfícies radiantes com o número de divisões em θ e em φ igua a 4. Nas simuações foi estabeecido como critério de convergência, num modeo em dupa precisão, que a soma dos resíduos para todas as grandezas envovidas fosse inferior a 10-6, exceto a energia, para a qua foi requerido um vaor inferior a Utiizou-se, na soução das equações, o esquema Power Law. Para o acopamento pressão-veocidade, foi utiizado o agoritmo SIPLEC (Vide Apêndice B). Os fatores de reaxação foram ajustados em 0,3 para a pressão, 0,7 para o momentum e 0,8 para o restante das equações.

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