Avaliação numérica do efeito de variação de área sobre as características operacionais de quimadores porosos radiantes

Abstract

Nesse trabalho, é investigada a combustão pré-misturada de metano e ar em um queimador poroso radiante com área de seção transversal variável. A estabilidade de chama e a eficiência de radiação neste tipo de queimador são analisadas através de simulação numérica. O problema considerado para análise é de um queimador unidimensional de área variável com perdas de calor por radiação em suas extremidades. A metodologia numérica usada para resolver o conjunto de equações de conservação é o método dos volumes finitos com o sistema de coordenadas cartesianas. Os resultados mostram que, o aumento da área da seção transversal proporciona um aumento na faixa de estabilidade de chama do queimador quando comparado com um de área constante. A eficiência de radiação também é influenciada positivamente pela variação de área, ou seja, um aumento na área da seção de saída do dispositivo resulta em um aumento na eficiência. Também é testada uma modelagem alternativa baseada no método de curvas de nível (level-set method). Nesse modelo as equações das espécies químicas são substituídas pela equação-G, a qual descreve a dinâmica de uma frente de chama infinitamente fina. Os resultados numéricos das simulações bem como as vantagens e as limitações do modelo de curvas de nível são discutidas. Em linhas gerais os resultados do modelo de curvas de nível não foram capazes de reproduzir adequadamente o comportamento obtido com o modelo convencional.

In this work, the premixed combustion of methane and air in a porous radiant burner with a variable cross-sectional area is investigated. The flame stability and the radiant efficiency in this kind of burner are analyzed through numerical simulation. The problem considers a variable area one-dimensional burner with radiation heat losses in its extremities. The numerical method used to solve the set of conservation equations is the finite volume method with the Cartesian coordinate system. The results show that an increase of the cross-sectional area promotes an increase of the flame stability range when compared with a constant area burner. The radiant efficiency is also positively influenced by the area variation, i.e., the increase of the outlet area results in an enhanced efficiency. An alternative modelling based on the level-set method is also tested. In this model the equations of chemical species are replaced by the G-Equation, which describes the dynamics of an infinitely thin flame front. The numerical results of simulations as well as advantages and limitations of the level-set model are discussed. In general the results of the level-set model were not able to reproduce in a suitable way the behavior obtained with the conventional model.