5. Conclusões e Perspectivas

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1 5. Conclusões e Perspectivas Neste estudo experimental foram apresentados resultados da caracterização de chamas turbulentas não pré-misturadas de spray de etanol e ar. Para realização deste estudo foi necessário projetar e construir nova linha de alimentação de combustíveis líquidos. O queimador e a linha de alimentação de combustível foram instalados no Laboratório de Combustão e Turbulência do Departamento de Mecânica da PUC-Rio junto ao aparato experimental de diagnóstico laser por imagem. A revisão bibliográfica permitiu determinar que uma estrutura de chama dupla de etanol é frequente em chamas spray, tendo sido obtida nos trabalhos de Düwel et al., 2007a, Marley et al., 2004 e Masri e Gounder, Nestes trabalhos um fenômeno abordado é a dinâmica de rompimentos das zonas de reação que diminui com o aumento da velocidade do ar em queimadores co-flow e aumenta com incremento da velocidade do jato de combustível em combustores RDL, segundo Marley et al., 2004 e Juddoo e Masri, 2011 respectivamente. O trabalho de Boxx et al., 2010 mostra que a interação dos vórtices com alta taxa de deformação gera zonas de extinção (ou rompimentos) locais no interior da chama. Finalmente, Jiang et al., 2011 permitem ter uma visão geral das novas tecnologias que estão sendo utilizadas atualmente para realizar medições em chamas. A estrutura do escoamento foi estudada para quatro casos quimicamente inertes, permitindo verificar, mediante a técnica do espalhamento Mie, a distribuição das gotículas do spray de água. Além disso, foram estudados dois casos de chamas spray de etanol e ar, variando a vazão de combustível, com vazão constante do ar no queimador, a fim de produzir diferentes regimes de chama. As técnicas, de espalhamento Mie e OH-PLIF foram empregadas para determinação da distribuição de gotículas e a posição da zona de reação respectivamente. A técnica PIV, foi utilizada para medir campo de velocidade do ar. A análise das imagens instantâneas do espalhamento Mie, nos ensaios quimicamente inertes, permitiu concluir que, com velocidade de ar 7 e 3,5 m/s e a menor vazão de água, respectivamente, ocorre fechamento do filme de liquido

2 126 sobre si mesmo, na vizinhança da injeção ao longo da linha de simetria. Nestes casos a maior parte do spray situa-se em / <0,1. Nos testes de maior vazão de água e com as mesmas velocidades de ar, existem pacotes com grande densidade de gotas, observados nas zonas afastadas do bocal de injeção. A análise das imagens médias permite concluir que o comprimento e o ângulo de cone do spray aumentam com a velocidade do jato de água. O ângulo do spray, medido a partir das imagens médias são de 36, 29, 53 e 43, quando a velocidade do jato aumenta de 5,15 para 8,49 m/s. Notou-se que o ângulo de spray diminui com o aumento da vazão do ar. O comprimento do spray correspondente, medido a partir das imagens médias, são de 35, 37, 47, 46 mm. Os comprimentos do spray praticamente não variam com a vazão de ar. Quando a velocidade do jato é de 5,15 m/s, a máxima intensidade de espalhamento Mie, encontra-se na zona central do escoamento, e quando esta é de 8,49 m/s duas zonas de máxima intensidade simétricas em relação ao eixo central. O resultado obtido do espalhamento Mie, nos dois testes reativos, com velocidade de ar constaste, incrementando a vazão de combustível de 1,05 cm 3 /s para 1,73 cm 3 /s, permitem concluir que há presença de gotículas de etanol isoladas de grande diâmetro situadas a grande distância do injetor. A evaporação destas gotículas é mais lenta do que a maior parte das demais gotas do spray, o que indica que o bico injetor não fornece gotas de diâmetro uniforme. Nas imediações do bico injetor existe um filme de líquido, que se quebra e produz gotículas. As dimensões do spray medidas a partir das imagens médias indicam que o ângulo e o comprimento do spray são 48 e 61 e 70 e 25 mm respectivamente. Assim, o ângulo do spray aumenta com a vazão do jato, mas o comprimento diminui. Em ambos os casos foi observada a existência de duas zonas de máxima intensidade, assimétricas com respeito ao eixo central, uma mais intensa que a outra em todas as regiões do escoamento. O contrário dos ensaios não reativos, a intensidade aumenta com o aumento da vazão do jato. As imagens instantâneas de fluorescência do radical OH, obtida para a menor vazão, indicam que esta situação corresponde ao regime de elementos de chama. A zona de reação é corrugada de maneira considerável pela agitação turbulenta, porém a superfície de chama instantânea permanece contínua a maior parte do tempo. A chama apresenta um grande deslocamento da superfície do queimador, o que indica que pode estar acontecendo uma pré-mistura parcial entre

3 127 combustível e ar sem presença de combustão, com mais importância no lado direito da chama. No caso de maior vazão de combustível, o aumento da velocidade do spray de combustível corresponde a um aumento da irregularidade da zona de reação instantânea, a qual é mais interrompida e fortemente perturbada pela turbulência no lado direito. Os resultados médios OH-PLIF, no caso de menor vazão, permitiram concluir que a assimetria da intensidade luminescente é pequena, ou seja, os dois lados da chama são quase simétricos. A chama é descolada, em média, 20 mm da superfície do queimador. As máximas intensidades acontecem na zona central da chama, e a espessura média é quase constante, 11 mm aproximadamente, nos dois lados da chama. É possível afirmar que ocorre uma evaporação completa das gotículas antes do processo de combustão, representando um comportamento clássico para o desenvolvimento e uso de modelos de combustão. No caso de maior vazão de combustível, a chama média é menos descolada da superfície do queimador, 15 mm. A assimetria da intensidade leva a maiores valores do OH, inicialmente no lado direito da chama na posição logo após o ponto de ancoramento e, para posições mais afastadas do bocal de injeção acontece o contrário respectivamente. Os eventos de extinção são mais frequentes, na zona central da chama, sendo este um caso aonde se afasta das situações clássicas. Neste caso, ocorrem fenômenos semelhantes aos observado por Marley et al., 2004 e Masri e Gounder, 2009: (i) O spray claramente atravessa a zona de reação, no lado direito da chama. (ii) O spray gera zonas de extinção no lado direito da chama. À montante desta região a chama parece se comportar como uma chama de difusão turbulenta.

4 Sugestões para aperfeiçoamento e continuidade Duas grandes áreas do trabalho presente permaneceram com algumas deficiências após a sua conclusão. Uma relaciona-se aos resultados da técnica PIV e a outra o mapeamento do escoamento de jato do combustível. Ambas permitiram caracterizar zonas pré-misturadas produzidas pelo ar de arrasto e zonas não pré-misturadas mantidas pela evaporação das gotículas, respectivamente. Em trabalhos futuros seria interessante aperfeiçoar os resultados da técnica PIV buscando: (i) Eliminar ou reduzir a assimetria do escoamento de ar. (ii) Medir o campo de velocidade do escoamento do combustível na fase gasosa. (iii) Medir o campo de velocidade do escoamento de ar. Alem disto duas alternativas que melhoram a compreensão do comportamento do escoamento de jato neste trabalho são: (i) Mapear o escoamento de jato não reativo e reativo com um traçador, mediante a técnica PLIF. (ii) Caracterizar o spray não reativo em maior faixa de número de Reynolds, evidenciando as mudanças de regime de forma de spray. A fim de dar continuidade para o presente trabalho sugere-se: (i) Medir a distribuição dos tamanhos de gotas para avaliar o processo de evaporação. (ii) Determinar a velocidade das gotículas. Acredita-se que um aporte importante seria a medição do diâmetro e da velocidade das gotas usando a técnica de Shadowgraphy (La Vision, et al., 2007), técnica que permite a medição do volume da gota. Utilizando-se um laser de duplo pulso esta técnica também permite medir a velocidade da gotícula. Técnicas LSD (Laser Sheet Drop Sizing) que são técnicas que misturam traçadores LIF (acetona, tolueno, rhodamine) para dopar o combustível e espalhamento Mie, poderiam ser utilizadas para determinar o tamanho de gotículas (SMD Sauter Mean Diameter razão volume / área das gotas). Nesta técnica, mediante os traçadores LIF, é obtido o volume, e com a técnica de espalhamento Mie, tem-se a área da gotícula.

5 129 Um exame mais detalhado da estrutura da chama necessitaria que as imagens instantâneas sejam tratadas de forma a obter dados quantitativos para o desenvolvimento de modelos numéricos.