Estudo da interação turbulência-radiação através do método de simulação de grandes escalas para meios participantes

Abstract

O presente trabalho tem por objetivo estudar as Interações Turbulência-Radiação em um escoamento não reativo para meios participantes. Estas interações caracterizam-se por um complexo fenômeno transiente, devido à combinação de dois fenômenos, unindo as características das flutuações da turbulência e da elevada não linearidade do fenômeno da radiação térmica. O estudo consiste em análise numérica do problema por dinâmica de fluidos computacional, através da utilização do Fire Dynamics Simulator (FDS), um software Open-Source, na qual a modelagem da turbulência é feita através da Simulação de Grandes Escalas. Como se trata de um software novo, bem como sendo introduzido no grupo de pesquisa, primeiramente é realizada a simulação de um caso benchmark para verificação e avaliação da formulação numérica. A análise do TRI é realizada em um problema proposto baseado em trocadores de calor reais utilizados em máquinas térmicas, como por exemplo, geradores de vapor ou coletores de escapamento de motores, envolvendo transferência combinada de convecção forçada e radiação térmica. A metodologia de avaliação consiste em comparar o fluxo radiante médio nas fronteiras obtido através da simulação transiente e compará-lo com o fluxo obtido por meio do campo médio temporal de temperaturas. São avaliadas a influência da intensidade de turbulência na entrada do escoamento, assim como a da espessura óptica, ambos relevantes para os efeitos do TRI. Conforme descrito pela literatura, neste tipo de problema as interações podem ser negligenciadas, confirmando os resultados obtidos, da ordem de 2% para o fluxo radiante.

This dissertation has the objective of analyzing the Turbulence-Radiation Interaction for a non-reactive flow with a participating media. These interactions are characterized by complex transient effects, due to the combination of two phenomena, coupling the scalar fluctuations of the turbulence and the highly non-linearity of thermal radiation. The study consists in a numerical analysis through Computational Fluid Dynamics, using the Fire Dynamics Simulator (FDS), an Open-Source software, which employs the Large Eddy Simulation method. Because the software is under development and new in the research group, it will be performed the simulation of a benchmark case for verification and evaluation of the numerical methodology. The TRI analysis will be performed in a proposed problem, based on real heat exchangers, as an example, steam generators or exhaust manifold of combustion engines, involving combined heat transfer between forced convection and radiative heat transfer. The methodology consists in evaluating the radiative mean heat flux obtained by the transient simulation and compare it with the flux obtained with the time-averaged temperature field. It will be evaluated the influence of the turbulence intensity at the inlet and the optical thickness, both very important for the TRI effects. According to the literature, in this case the TRI effects could be neglected, confirming the obtained results, around 2% for the radiative heat flux.