Modelagem da radiação térmica considerando a injeção de fuligem em uma câmara de combustão operando com chama turbulenta de metano

Abstract

O presente trabalho simula numericamente os efeitos na transferência de calor radiativa a partir da injeção de fuligem no interior de uma câmara cilíndrica que opera com chama turbulenta. São resolvidas equações de conservação de massa, de energia, de quantidade de movimento, da variância da flutuação de temperatura, de espécies químicas gasosas e de fuligem para um problema físico conhecido, partindo da combustão da mistura de metano e ar dentro de uma câmara com dimensões e condições de contorno já exploradas em outros trabalhos a fim de possibilitar comparações de resultados. Para a turbulência é utilizado o modelo k - E padrão. Na modelagem das interações turbulência-radiação, é considerada a correlação combinada entre coeficiente de absorção e temperatura e a autocorrelação de temperatura. Foram adotados os modelos de Eddy Break-Up – Arrhenius para a combustão, utilizando a reação de combustão em duas etapas. O método de ordenadas discretas, considerando a soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG – do inglês: weighted-sum-of-graygases) é utilizado para calcular o termo fonte de calor radiativo. A dependência espectral das propriedades radiativas do meio participante foi modelada pelo método WSGG, que permite a solução de problemas com concentração variável das espécies participantes com alto nível de confiabilidade. A simulação da injeção de fuligem foi realizada alterando as condições de contorno do problema, resolvendo-se os cálculos de forma acoplada. Os resultados obtidos após a injeção externa da fuligem foram comparados com simulações que apenas consideravam a formação natural e a posterior oxidação das partículas. Foram analisados os campos do termo fonte de calor radiante em toda a câmara, que mostraram aumento sensível da radiação após a injeção ser considerada. Comparou-se também o fluxo de calor que atinge as paredes da câmara, como principal análise do presente trabalho, indicando que mesmo injetando pequenas quantidades de fuligem, há um aumento no fluxo de calor. O campo de temperatura não apresentou alterações consideráveis, apenas reduzindo-se a temperatura máxima no interior da câmara. De uma forma geral, o efeito da fuligem é mais significativo nas regiões de alta temperatura.

This work simulates numerically the effects on radiative heat transfer after the soot injection into a cylindrical combustion chamber that operates with turbulent flames. A known physical problem of burning methane with air inside a chamber is considered. The dimensions and boundary conditions were already considered in other papers to enable comparisons between the results. Conservation equations for mass, momentum, gaseous chemical species and soot, energy, and temperature variance equations, are solved. The turbulence is modeled by standard k -E model. Consideration of TRI (Turbulence-Radiation Interactions) effects is made through a methodology that considers both cross-correlation between absorption coefficient and temperature self correlation. The combustion model is Eddy Break-Up – Arrhenius, with two steps for the combustion reaction. The radiative heat source term is calculated with the discrete ordinates method, considering the weighted-sum-of-gray-gases model (WSGG). The spectral dependence of the participant media radiative properties was modeled by WSGG method, which allows the solution of problems with varying concentration of the participating species with high level of reliability. The simulation of soot injection was performed by changing the contour conditions of the problem. The calculation was solved in a coupled way. The results obtained after foreign soot injection were compared with simulations which only considered the natural formation and subsequent oxidation of the particles. The fields of the radiative heat source term showed significant increase of radiation after the soot injection was considered. The radiative heat flow that reaches the chamber walls is compared between the cases, as one of the main analysis of this work. It indicates that even when small amounts of soot injection are considered, there is an increase in the radiative heat flow to the walls. The temperature behavior showed no significant change, except on reducing the maximum temperature within the chamber. In general, the effects on the radiative heat transfer after the soot injection are greater in the high temperature areas.