Estudo das interações turbulência-radiação em chamas turbulentas não pré-misturadas de gás natural diluído em CO2 e H2

Abstract

A determinação precisa do fluxo de calor radiativo emitido por chamas turbulentas envolve a modelagem das interações turbulência-radiação (TRI). Este trabalho apresenta a modelagem computacional de um conjunto de chamas difusivas turbulentas e analisa o impacto da modelagem da interação entre turbulência e radiação na determinação da transferência radiativa. O combustível utilizado é gás natural diluído em CO2 e H2. A cinética química é resolvida com um modelo baseado no conceito de flamelets, o steady laminar diffusion flamelet (SLDF). Para incorporar os efeitos da turbulência em flamelets laminares utiliza-se o método de funções densidade de probabilidade (PDFs). O fluxo de calor radiativo é calculado com o método de discretização espacial de ordenadas discretas enquanto o modelo da somaponderada-de-gases-cinza (WSGG) é empregado para a integração espectral. A turbulência é resolvida através da modelagem RANS, utilizando k-ε padrão. Duas metodologias TRI são comparadas. A primeira baseia-se na autocorrelação da temperatura e correlação entre coeficiente de absorção e temperatura, sendo o coeficiente de absorção modelado como dependente apenas da temperatura local. Na segunda abordagem, também baseada na autocorrelação da temperatura e correlação entre coeficiente de absorção e temperatura, o coeficiente de absorção é calculado considerando a dependência da temperatura local e da concentração das espécies participantes. Três soluções numéricas, considerando também o caso em que são negligenciados os efeitos TRI, são comparadas com dados experimentais para o fluxo de calor radiativo. A variância de temperatura é calculada de duas formas, na primeira utiliza-se uma equação de transporte e na segunda através do método PDF. A solução é obtida com o código ANSYS Fluent acoplado a funções definidas pelo usuário (UDFs) utilizadas para modificações do modelo WSGG e incorporação dos efeitos TRI. Os resultados indicam boa concordância entre os modelos que consideram TRI com os dados experimentais para o fluxo de calor radiativo, especialmente para o modelo que considera o coeficiente de absorção dependente da temperatura e concentrações locais.

An accurate computation of the radiative heat flux emitted by turbulent flames involves the modeling of turbulence-radiation interactions (TRI). This study considers a set of non-premixed turbulent flames, in which the fuel is natural gas with CO2/H2 dilution with ambient air as the oxidant. The radiative exchange is numerically solved using the weightedsum-of-gray-gases (WSGG) gas model for the spectral integration and the discrete ordinates method for the directional integration of the radiative transfer equation (RTE). The steady laminar diffusion flamelet (SLDF) model is used to solve the chemical kinetics. To account for the turbulence-chemistry interaction, the mean scalars are calculated by a presumed probability density function (PDF) approach. Turbulence is calculated with the k-ε standard model. The impact of TRI modeling is performed employing two methodologies. Three numerical results are compared with measured experimental data for the radiative heat flux. In the first case, the radiative heat flux is obtained neglecting TRI effects. The second case is based on the correlation between the absorption coefficient and the temperature selfcorrelation considering that the absorption coefficient is only dependent on the mean local temperature. The third case is obtained with newly obtained correlations based on both the mean temperature and the species mole concentrations for modelling the dependency of the absorption coefficient. The temperature variance is obtained in two ways, using a transport equation and directly of PDF approach. The solution is obtained using ANSYS/Fluent code coupled with user-defined functions (UDFs) to compute RTE/WSGG/TRI formulations. The TRI models presented good agreement with experimental data, especially the new emission model.