Desenvolvimento de um modelo para análise do campo acústico gerado por chamas difusivas

Abstract

A combustão possuí inúmeras aplicações comerciais e industriais. Consequentemente, o entendimento dos processos de combustão possuí elevado valor comercial em diferentes setores como aviação, transportes, produção de energia, entre outros. Diversos equipamentos utilizam uma chama para realizar a conversão de energia através da queima. Exemplos desses dispositivos são os fornos industriais e as turbinas a gás. Garantir que a chama permaneça acesa por tempo indeterminado é um problema comum na etapa de desenvolvimento desses queimadores. Por este motivo, muitas pesquisas são realizadas para entender os mecanismos envolvidos na estabilização de uma chama. Em particular, o estudo dos fenômenos termoacústicos tem ganhado destaque nos últimos anos, pois verificou-se que mesmo pequenas oscilações acústicas, isto é oscilações de pressão, podem interferir na estabilidade de uma chama e reduzir a eficiência do queimador. Alguns efeitos da interação da chama com o campo acústico ainda não estão totalmente compreendidos e os modelos utilizados para descrever esses sistemas são ainda raros ou restritos. Considerando essa situação, o presente trabalho busca combinar os modelos existentes e propor um equacionamento que possibilite analisar a acústica de chamas de maneira rápida e suficientemente precisa. O número de equações resolvidas numericamente é reduzido através do desacoplamento da parte química do problema e sua solução é feita previamente de forma analítica. O conjunto de equações obtido nesse processo é implementado em uma linguagem de programação e são realizados 3 testes para comparar a precisão dos dados obtidos com os dados presentes na literatura. Verifica-se que é possível obter boa concordância com os dados experimentais mesmo após algumas simplificações e o desacoplamento das equações químicas. Como o número de equações resolvidas numericamente ´e menor, o custo computacional do problema também é reduzido. Acredita-se que o conjunto de equações apresentado possa ser melhorado continuamente e que possa ser aplicado para finalidades comerciais, de pesquisa e de desenvolvimento na ´area de queimadores de alto desempenho.

The combustion has numerous commercial and industrial applications. Consequently, the understanding of the process of combustion has high commercial value in different sectors such as aviation, transport, energy production, among others. Several devices use a flame to perform the conversion of energy by burning. Examples of these devices are industrial burners and gas turbines. A common problem in the design of these burners is ensure that the flame stays on indefinitely. For this reason, research is being carried out to understand the mechanisms involved in stabilizing a flame. In particular, the study of thermoacoustic phenomena has gained prominence in recent years because it was observed that even small acoustic oscillations, i.e., pressure oscillations may interfere the stability of the flame and reduce the flare efficiency. Some effects of the interaction of the flame with the acoustic field are not yet fully understood and the models used to describe these systems are still rare or restricted. Given this situation, this work seeks to combine existing models and propose a set of equations that allows analysing the acoustics of flames in quickly and sufficiently precise manner. The number of equations numerically solved is reduced by decoupling the chemical part of the problem, whose solution is previously obtained analytically. The set of equations obtained in this process is implemented in a programming language and are performed three tests to compare the accuracy of the data with the data in the literature. Good agreement with the experimental data is obtained even after some simplifications and the decoupling of chemical equations. Because the number of equations solved numerically is smaller, the computational cost of the problem is also reduced. It is believed that the presented set of equations can be continually improved and can be applied for commercial applications, research and development of high-performance burners.