Simulação do fluxo de calor radiativo em chamas turbulentas de gás natural utilizando o cfd (computational fluid dynamics) ansys fluent 18.2

Abstract

Neste trabalho, é apresentada a simulação computacional de uma chama turbulenta de gás natural com foco na análise do fluxo de calor radiativo. Para a caracterização e análise detalhadas do problema, foi utilizado o CFD (Computational Fluid Dynamics) ANSYS Fluent 18.2, software que dispõe de modelos físicomatemáticos adequados para diferentes casos, com solução simultânea de equações de cinética química, mecânica dos fluidos e transferência de calor e massa. A combustão foi resolvida com o modelo Non- Premixed Combustion - Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF), com mecanismo detalhado de reações, e posteriormente com os modelos Non-Premixed Combustion – Chemical Equilibrium (CE) e Species Transport – Eddy Dissipation (ED), com mecanismos mais simples de reações, a fim de avaliar a sensibilidade do problema à cinética química. Para a radiação, a soma ponderada de gases cinzas (WSGG) foi utilizada como modelo espectral, enquanto o modelo espacial foi resolvido pelo método das ordenadas discretas. A turbulência foi implementada pelo modelo de viscosidade k-ε Padrão, baseado nas equações de Navier-Stokes em médias de Reynolds (RANS). Devido à complexidade dos fenômenos envolvidos, descritos por equações altamente não lineares, o tempo computacional de convergência também foi considerado na escolha da metodologia e análise dos resultados. Conforme esperado, o modelo SLDF apresentou o resultado de fluxo de calor radiativo mais próximo dos dados experimentais entre os modelos, sendo que o ED foi o que mais se distanciou do experimento, principalmente com a implementação da interação turbulência-radiação (TRI). Isso também foi observado para a concentração de CO2 e temperatura máxima para esse modelo em comparação com os demais. O modelo CE com quatro passos de reações ficou próximo do SLDF, apresentando-se como uma opção viável para estimativas rápidas de temperatura e fluxo de calor radiativo. Este trabalho insere-se dentro de uma pesquisa mais ampla no Laboratório de Radiação Térmica da UFRGS (LRT), tendo como ponto de partida uma das configurações de simulação utilizadas na pesquisa de doutorado de Lemos, 2019, fazendo-se uso de UDFs de cálculo de radiação desenvolvidas no LRT.

In this study, the computational simulation of a turbulent natural gas flame with focus on the analysis of the radiative heat flux is presented. With this objective, the CFD (Computational Fluid Dynamics) Ansys Fluent 18.2 was used for the characterization and detailed analysis of the problem. This software has suitable physical-mathematical models for each case, with simultaneous solution of chemical kinetic equations, fluid mechanics and heat and mass transfer. The combustion was solved with the Non-Premixed Combustion - Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) model, with detailed reaction mechanism, and later with the Non-Premixed Combustion - Chemical Equilibrium (CE) and Species Transport - Eddy Dissipation (ED) models, with simpler mechanisms of reactions, in order to evaluate the sensitivity of the problem to chemical kinetics. For the radiation calculation, the weighted gray gas sum (WSGG) was used as the spectral model, while the spatial model was solved with the discrete ordinate method. The turbulence was implemented by the k-ε Standard viscosity model, based on the Navier-Stokes equations in Reynolds means (RANS). Due to the complexity of the phenomena involved, described by highly nonlinear equations, the computational convergence time was also considered when choosing the methodology and analyzing the results. As expected, the SLDF model presented the radiative heat flux result closest to the experimental data between the models, and the ED was the one that most distanced from the experiment, especially with the implementation of turbulence-radiation interaction (TRI). This was also observed for the CO2 mass fraction and maximum temperature for this model compared to the others. The four-step reaction CE model was close to the SLDF, providing a viable option for rapid temperature estimates and radiative heat flux. This study is part of a more extensive research that is being carried out in the Laboratory of Thermal Radiation at UFRGS (LRT), having as a starting point one of the simulation configurations used in the Lemos doctoral research, 2019, making use of UDFs of radiation calculation developed in the LRT.