Challenges in Experimental and Computational Methods for Combustion Analysis

1. Métodos Experimentais de Energia e Ambiente Introdução às técnicas de análise de escoamentos com combustão Ronne Toledo Pedro Grossmann “Instrumentation for flows with combustion“, ed A.M.K.P Taylor, Academic Press

2. Combustão ? • Uma das mais antigas tecnologias humanas • Energia eléctrica • Mobilidade humana (Carro, Trem, Avião) • Alimentação (Preparo e Fabrico) • Queimadas e incêndios

3. Ferramentas Computacionais • Computação Digital. • Os laboratórios tornaram-se obsoletos? • Entendimento dos processos da combustão • Cinética química • Comportamento da chama laminar • Propagação e transporte dos escalares • CFD – Transferência de calor • Com toda essa ferramenta computacional há necessidade da experimentação?

4. Experimentação • Imperfeito conhecimento sobre os processos • Turbulência • Cinética química • Tanto da fase gasosa como condensada • Dificuldade de se fazer medidas em ambientes hostis. • Dificuldade do uso de modelos em escala

5. Revisão Bibliográfica • Desenvolvimento matemático – Willians (1985) • Fase cinética dos gases – Lewis and von Elbe (1987) • Escoamento computacional turbulento – Bradshaw (1978) • CARS/LIV - Eckbreth (1988) • LDV – Durst et al (1981)

6. Técnicas Experimentais • LDV – Laser Doppler Velocimetry • PIV – Particle Image Velocimetry • LSV – Laser Speckle Velocimetry • PTV – Particle Tracking Velocimetry

7. Proposta Experimental • Fenómenos complexos • Transporte dos fenómenos • Cada fenómeno por vez • Base de dados para validar os modelos

8. Desafios • Necessidade de maior quantidade de experimento • Dificuldade de acesso óptico • Técnicas de imagens Bidimensionais e Tomografia • Sintonizar a realidade prática com as condições experimentais (ideais)

9. Cinética Química • 30 ou mais espécies e mais de 100 reacções • Diferentes condições: ignição, temperatura da chama, pressão, etc. • Factor de variância nas taxas das reacções de 3 a 30 • Condições ambientais diferentes das laboratoriais

10. Validar Modelos de Combustão • Prioridades • Complexidade dos combustíveis • H2, CO, CH2O, CH4, CH3OH • Velocidade de chama pré-misturados metano/ar • Turbulência

11. Chama Laminar • Cálculo Unidimensional • Disponibilidade de soluções computacionais • Medidas dos perfis • Técnicas não intrusivas de Resolução espacial (Laser)

12. Chama Laminar • Análises semi-empírica para redução do modelo(Mecanismos de 1 ou 2 passos) • Combustão Methano/ar. Simplificação num mecanismo de 4 passos.

13. Combustão Turbulenta: • O problema da combustão turbulenta é melhor apreciado considerando a equação de balanço às espécies para valores médios:

14. 1º: divergência do fluxo das espécies devido à convecção; para este termo não é necessário qualquer modelação. • 2º: divergência do fluxo das espécies devido à turbulência; este termo é geralmente modelado como um processo de difusão. • 3º: divergência do fluxo das espécies associado a processos de transporte molecular; termo desprezado para elevados Reynolds. • 4º:taxa de reacção média para as espécies; termo importante que só em sistemas específicos pode ser modelado linearmente.

15. Modelação da Turbulência • Métodos como o DNS (direct numerical simulation) e o LES (large-eddy simulation) serão uma fonte importante para a compreensão da física da turbulência e para fechar métodos de cálculo baseados na estatística. • Com o desenvolvimento tecnológico a experimentação irá continuar a ter um papel essencial, podendo ser comparada com o DNS/LES.

16. Modelação da Turbulência • O modelo k- tem sido o mais utilizado. • Aplicação a geometrias simples tem tido bastante sucesso, especialmente em sistemas sem pré-mistura • A sua simplicidade e utilidade tornam o seu desenvolvimento útil. • Medições importantes a efectuar: velocidades médias, energia cinética de turbulência e campos escalares.

17. Elementos Importantes para a Modelação • Medições espaciais e estrutura da chama • Visualização do escoamento é muito importante • para detectar imperfeições no escoamento • para visualizar a estrutura da chama • Resolução espacial e temporal • Avançados diagnósticos Laser • Há que ter em conta as dimensões das sondas e da frente de reacção

18. Elementos Importantes para a Modelação • Modelos para a taxa de reacção • Com e sem pré-mistura • Apresentação de dados • Surgem muitos problemas (dimensão dos dados) • no arquivamento dos valores medidos • na apresentação dos valores medidos

19. Economicamente é mais atractiva que a combustão de gases Cientificamente é no entanto menos atractiva, pois surgem novos processos químicos e físicos Em sprays temos dois regimes: Spray diluído: Colisões são raras Interacção partícula-partícula não afecta directamente as equações do calor, massa e momento Spray denso: Colisões de partículas são frequentes e levam à coalescência e fragmentação destas Combustão Heterogénea

20. Medições em sistemas prácticos • Medições tem que ser diagnósticas, de modo a ajudarem a desenvolver os sistemas • Qualitativamente • Quantitativamente • A maior parte das medições (caso do LDV) são feitas a sistemas simplificados • Informação destes ajuda a melhorar as técnicas de medição e a caracterizar os processos de combustão • Dificuldade na aplicação a sistemas reais