Caracterização espectral da amônia em altas temperaturas para modelagem de radiação térmica em combustão

Abstract

Este trabalho tem por objetivo a caracterização espectral da amônia em altas temperaturas típicas de processos de combustão (300 K até 1200 K), com foco na modelagem da radiação térmica por meio do modelo da Soma Ponderada dos Gases Cinzentos (WSGG, sigla em inglês). A necessidade do estudo fundamenta-se no crescente interesse na utilização da amônia como combustível alternativo descarbonizado e na atual escassez de dados espectrais confiáveis que permitam sua aplicação precisa em simulações numéricas de transferência de calor radiativa. Para isso, foi empregada uma metodologia computacional baseada em códigos desenvolvidos em linguagem Fortran, voltados à geração de espectros de absorção Linha-por-Linha (LBL) com diferentes resoluções, e posterior cálculo da emitância e das correlações do modelo WSGG. Dois bancos de dados espectroscópicos distintos (ExoMol e HITRAN) foram considerados na etapa inicial de geração de linhas espectrais, sendo a fase de cálculo das propriedades radiativas conduzida com base no banco ExoMol (line list CoYuTe), selecionado conforme critérios de consistência em altas temperaturas. As visualizações e análises gráficas, bem como a regressão não-linear dos coeficientes, foram realizadas em ambiente Python e softwares estatísticos. Como resultado, demonstrou-se que o uso de bases convencionais como o HITRAN acarreta erros de subestimação da emitância superiores a 20% devido à ausência de bandas quentes. Em contrapartida, o modelo WSGG proposto, composto por quatro gases cinza e correlações polinomiais, apresentou elevada aderência aos dados de referência, mantendo os erros relativos predominantemente inferiores a 3%. Conclui-se que as correlações desenvolvidas oferecem uma ferramenta robusta e computacionalmente eficiente para aplicação em códigos de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD).

This study aims to perform the spectral characterization of ammonia at high temperatures typical of combustion processes (300 K to 1200 K), focusing on thermal radiation modeling through the Weighted-Sum-of-Gray-Gases (WSGG) model. The study is grounded in the growing interest in using ammonia as a carbon-free alternative fuel and the current scarcity of reliable spectral data for its precise application in radiative heat transfer numerical simulations. To this end, a computational methodology based on Fortran codes was employed to generate Line-by-Line (LBL) absorption spectra at various resolutions, followed by the calculation of emittance and WSGG model correlations. Two distinct spectroscopic databases (ExoMol and HITRAN) were considered in the initial stage of spectral line generation; the radiative property calculation phase was conducted using the ExoMol database (CoYuTe line list), selected based on high-temperature consistency criteria. Graphical analysis and visualization, as well as non-linear regression of the coefficients, were performed in a Python environment and statistical software. Results demonstrated that conventional databases like HITRAN lead to emittance underestimation errors exceeding 20% due to the absence of hot bands. Conversely, the proposed WSGG model, consisting of four gray gases and polynomial correlations, exhibited high adherence to reference data, with relative errors remaining predominantly below 3%. It is concluded that the developed correlations offer a robust and computationally efficient tool for application in Computational Fluid Dynamics (CFD) codes.