Avaliação numérica do efeito de promotores de turbulência em uma câmara de combustão sobre o seu comportamento térmico

Abstract

Este trabalho estuda numericamente os efeitos do emprego de promotores de turbulência nas entradas de ar e de combustível (metano) sobre o comportamento térmico de uma câmara de combustão. São resolvidas equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia, espécies químicas gasosas e fuligem, e variância da flutuação de temperatura em coordenadas cilíndricas axissimétricas. O modelo de combustão é o Eddy Break-Up – Arrhenius, com reação de combustão em duas etapas. O modelo de turbulência é o k padrão. A modelagem das interações turbulência-radiação (TRI - do inglês: Turbulence-Radiation Interactions) considera a correlação combinada entre coeficiente de absorção e temperatura e a autocorrelação de temperatura. O termo fonte de calor radiativo é calculado com o método de ordenadas discretas, considerando o modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG – do inglês: weighted-sum-of-gray-gases) com correlações recentes. Para estudar o comportamento de um promotor de turbulência, foi alterado o parâmetro de intensidade de turbulência (IT) de ambas as correntes na entrada da câmara (ar e combustível), sendo utilizados valores de 3%, 6%, 15% e 20%, levando em consideração dois cenários de estudo: a transferência de calor radiativa na câmara de combustão e a influência das interações turbulência-radiação (TRI). Os resultados obtidos com o primeiro cenário estudado mostraram que os campos de temperatura e do termo fonte de calor radiativo, assim como a transferência de calor para a parede da câmara e a fração radiativa sofreram variações importantes com o aumento da intensidade de turbulência; em casos extremos (comparando intensidades de turbulência de 3% e de 20%) a taxa de transferência de calor por radiação na parede da câmara teve aumento de 68,2 kW (aumento de 54,2%). No cenário de estudo que compara o efeito das interações TRI, verifica-se um papel importante sobre o campo de temperaturas, no qual a temperatura máxima diminuiu com o aumento da intensidade do promotor de turbulência quando se consideraram as interações TRI; observou-se também que a transferência de calor radiativa aumentou quando as interações TRI foram consideradas (aumento na faixa de 20% para ambos valores de IT estudados), demonstrando assim a importância de considerar as interações TRI nos cálculos.

This work analyses numerically the effects of the use of turbulators on air and fuel (methane) inputs on the thermal behavior of a combustion chamber. The combustion model is Eddy Break-Up – Arrhenius, with two steps for the combustion reaction. Turbulence is modeled by standard   k model. Consideration of TRI (Turbulence-Radiation Interactions) effects is made through a methodology that considers both cross-correlation between absorption coefficient and temperature and temperature self-correlation. The radiative heat source term is calculated with the discrete ordinates method, considering the weighted-sum-of-gray-gases model (WSGG) correlations. To study the behavior of a turbulators, the turbulence intensity (TI) parameter of both currents at the entrance of the chamber (air and fuel) was changed, using values of 3%, 6%, 15% and 20%, taking into account the radiative heat transfer in the combustion chamber and the influence of the turbulence-radiation interactions (TRI). The results obtained with the first scenario showed that the fields of temperature and the term radiative heat source, as well as the transfer of heat to the wall of the chamber and the radiative fraction were varied with increasing intensity of turbulence in extreme cases (comparing with turbulence intensities of 3% and 20%) the rate of heat transfer radiation in the wall of the chamber had an increase of 68,2 kW ( increase 54,2%) . In the scenario that compares the TRI interactions, it is found that they play an important role on the temperature field, in which the maximum temperature decreased with the increase of the intensity of the turbulence promoter when considering the TRI interactions, it is also observed that the transfer of radiative heat increased when TRI interactions were considered (increase in the range of 20% for both TI values studied), thus demonstrating the importance of considering TRI interactions in calculations.