Modelagem de Escoamento com Recirculação para Estabilizadores de

Chamas Aerodinâmicos e Mecânicos

Renan Gabbi Marcelo Trindade Oleg Khatchatourian Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ

Departamento de Ciências Exatas e Engenharias – DCEEng, 98700-000, Ijuí, RS

E-mail: renan.matematica@yahoo.com.br; marcelo.trindade@unijui.edu.br e olegkha@unijui.edu.br

Jenifer Heuert Konrad Instituto Federal Farroupilha, Campos Panambi

98280-000, Panambi, RS

E-mail: jenifer@pb.iffarroupilha.edu.br

RESUMO

Os estabilizadores de chama podem ser mecânicos ou aerodinâmicos. Ambos possuem a

mesma finalidade e são diferenciados quanto à forma na qual produzem o obstáculo ao fluxo

principal. Os estabilizadores mecânicos (Fig. 2) utilizam um corpo com variação brusca de

geometria para gerar as zonas de recirculação. Estes corpos aerodinamicamente desfavoráveis

podem ter diversas formas, como por exemplo, cones elípticos, cilindros, anel ou esferas. Nos

estabilizadores aerodinâmicos não se utilizam corpos de variação brusca, mas sim jatos

transversais que interagem com um fluxo principal.

Os jatos transversais tem ampla aplicação em diversos equipamentos (em processos de

combustão, para melhorar aerodinâmica de asas de aviões, em portas aerodinâmicas, em jatos

de ar-condicionados, etc). Por exemplo, as zonas de recirculação formadas através da interação

de jatos transversais com fluxo principal podem ser usadas para manter chama em um fluxo de

alta velocidade (Fig. 1).

A interação entre um jato transversal e um fluxo principal leva a formação de uma zona

de pressão reduzida atrás do jato, devido ao movimento do fluxo proveniente do injetor que

carrega consigo partículas de sua vizinhança (partículas de gás ou ar). O movimento do fluxo,

por sua vez, tende a se direcionar para locais onde a pressão é menor, desta forma o fluxo é

direcionado no sentido contrário de seu movimento inicial, buscando preencher esta zona onde a

pressão é reduzida. Este fluxo circular, ou seja, movimento de recirculação formado atrás do

jato transversal é chamado de Zona de Recirculação.

O processo de combustão em fluxo turbulento depende significativamente dos parâmetros

hidrodinâmicos (intensidade e escala de turbulência), e parâmetros físico-químicos

(temperatura, pressão e composição) do fluxo da mistura inicial. Portanto, para conhecer o

comportamento do estabilizador aerodinâmico de chama é necessário estudar também a

distribuição das concentrações, temperaturas e características da turbulência, atrás da zona de

recirculação.

Figura 1. Esquema de um estabilizador

aerodinâmico Figura 2. Esquema de um estabilizador mecânico

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O modelo da interação de jato transversal com um fluxo principal (nos limites do

comprimento da zona de recirculação) foi estudado em [1-2], e as relações quantitativas foram

estabelecidas entre as dimensões da zona de fluxo inverso, a qual surge atrás do jato transversal,

a geometria de bocal (β0, b0, d0) e o valor do parâmetro hidrodinâmico Vq , para alguns casos

particulares.

As dimensões da zona de recirculação para a geometria escolhida dependem do parâmetro

hidrodinâmico Vq , que pode ser calculado através da seguinte relação:

2

2

W

Vq

W

VV

(1.1)

onde V e W representam a velocidade, V e W são as densidades do jato transversal e do

fluxo principal, respectivamente.

O modelo matemático para simulação do escoamento consiste em sistema de equações de

continuidade, de Navier-Stokes, de conservação de energia e equações de modelo de

turbulência.

A turbulência é um fenômeno no qual as partículas do fluído se misturam de forma não

linear, que é descrito através de diversos modelos de turbulência. Os modelos que estão sendo

estudados são: Omega Reynolds Stress; QI Reynolds Stress; LRR Reynolds Stress; k-Omega;

RNG k-Epsilon; Zero Equation; SSG Reynolds Stress; Shear Stress Transport; k-Epsilon.

Descrever todos esses modelos seria muito extenso, além disso, percebeu-se durante a

realização das simulações que o modelo k-Epsilon apresenta uma maior proximidade com os

dados experimentais, o qual foi apresentado por [3].

Palavras-chave: Modelos de Turbulência; Jato Transversal; Estabilizador Aerodinâmico de Chama;

Estabilizador Mecânico;

Referências

[1] Khachaturyan, O. A. Experimental Study of the Turbulent Wake Downstream of a Fan Jet.

Izvestiya VUZ. Aviatsionnaya Tekhnika, Vol. 21, No. 3, p. 100-107, (1978).

[2] Khatchatourian, O., Guiliazov, M. S., Smorodin, F. K. An Investigation on the Mixility

Between Transversal Ring Shapes Jets, with Diferrent Molecular Compositions and a Main

Flow. Soviet Aeronautics, No. 1, p. 143-146, (1974).

[3] Heuert, J. Simulação Numérica do Escoamento Turbulento em Canal Axisimétrico com Jato

Transversal Anelar. Dissertação de Mestrado. Ijuí-RS-Brasil. UNIJUI, (2008).

[4] Gollahalli, S. R. y D. Pardiwalla, Comparison of the Flame Characteristics of Turbulent

Circular and Elliptic Jets in a Crossflow, Journal of Energy Resources Technology, 124(3),

197-203, (2002).

[5] Koopman, J., M. Rachner, H. Wiegand y H. Eickhoff, Aerodynamics and Stabilization of

Combustion of Hydrogen Jets Injected into Subsonic Airflow. In: AGARD, Hypersonic

Combined Cycle Propulsion, Conference Proceedings, No. 479, 1-16, Madrid, Spain, 28

May - 1 June, (1990).

[6] Li, Z., S. Murugappan, E. Gutmark, y L. Vallet, Numerical Simulation and Experiments of

Jets in Cross Flow, 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit; Reno, NV, USA,

(2006).

[7] POPE, Stephen B. Turbulent Flows. Cambridge: Cambridge University Press, (2000).

[8] Rodi, W. Turbulence Models and their Application in Hydraulics – A State of the Art

Review. International Association for Hydraulic Research, Delft, (1980).

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