Julho 2012 CFD Oil

Estudos experimentais e modelagem da combustão em escoamentos turbulentos

Luís Fernando Figueira da Silva

DEM/PUC-Rio

Julho 2012 CFD Oil

Sumário

Estudar combustão?

Aplicações

Contexto da pesquisa

O Problema

Como obter respostas?

Alguns resultados

Perspectivas

Rede Nacional de Combustão

Julho 2012 CFD Oil

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: http://www.portalsaofrancisco.com.br/

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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)

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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

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Contexto da pesquisa

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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

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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)

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Como obter respostas?

Técnicas de diagnóstico da combustão

Desenvolvimento de ferramentas de modelagem

Equipe

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Diagnóstico da Combustão e Turbulência

Apoio:

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)

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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

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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

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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

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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)

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Equipe: 2011/2012

2 pesquisador (Dr.)

1 pesquisador (M.C.)

3 pesquisadores em doutoramento

4 mestrandos

1 técnico informática

2 DTI gestão científica (RNC)

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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

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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)

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Estrutura instantânea da chama

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mele

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Parc

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Ancora

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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

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Estrutura média da chama turbulenta

Chama média

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

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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 d

e R

eyno

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y)

V

elo

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ade m

édia

(y)

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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)

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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

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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)

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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)

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Perspectivas

Laboratório de Combustão Industrial

Modelagem da combustão e turbulência

Construção de bases de dados experimentais

Rede Nacional de Combustão

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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

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Laboratório de Combustão Industrial

Vista geral do laboratorio Fornalha vertical de ensaios

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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

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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

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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)

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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

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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

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The Naked Flame

The Naked Flame