Técnicas de estabilização de chamas difusivas turbulentas

Abstract

O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma metodologia capaz de descrever o fenômeno de combustão em escoamentos turbulentos. Para atingir este objetivo, é feita uma revisão bibliográfica sobre as principais técnicas de estabilização de chamas difusivas uma vez que a turbulência, normalmente, torna chamas deste tipo instáveis. Seguindo o critério de maior aplicabilidade prática foram escolhidas, dentre as técnicas de estabilização na camada de mistura, estabilização através do uso de chamas triplas, através da auto-ignição, da modificação da geometria da câmara, da rotação dos reagentes, do uso de chamas Pilot, do uso de faíscas elétricas e do uso de atuadores de plasma, duas para serem simuladas numericamente. As técnicas escolhidas para simulação utilizam rotação dos reagentes e chamas Pilot para estabilização de uma chama de metano/ar no interior de uma câmara de combustão retangular. Estas duas técnicas são consideradas as mais representativas dentre as demais técnicas apresentadas. A introdução ao assunto é feita através da dedução das equações governantes para a combustão. Utiliza-se a teoria de Semenov para determinar os principais parâmetros de ignição de uma chama e então são apresentadas as oito técnicas de estabilização, consideradas mais relevantes, e suas principais características com relação ao mecanismo de estabilização que cada uma utiliza. Descreve-se a forma de discretização e de implementação numérica das equações governantes do problema. Devido ao caráter turbulento do escoamento, faz-se uso da técnica de simulação de grandes escalas (LES) através do método de discretização em diferenças finitas, considerando um domínio tridimensional. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com dados experimentais presentes na literatura.

The principal objective of this work is to develop a method capable to describe the phenomenon of combustion in turbulent flows. To achieve this goal, a review on the main diffusion flame stabilization techniques is made because the turbulence normally turns such flames unstable. According to the criterium of practical applications it was chosen, among eight techniques, only two to be simulated numerically. The techniques chosen were the swirl and the pilot flames to stabilize the flame of methane/air in a rectangular combustion chamber. These two techniques are considered the most representative among the other presented. The introduction to the subject is made through the deduction of the governing equations for combustion. We use the theory of Semenov to determine the main ignition parameters of a flame and introduce eight of the most relevant stabilization techniques and their main characteristics, with respect to the mechanism of stabilization that each one uses. We describe the discretization process and the num.erical implementation of the governing equations of the problem. Due to the turbulent nature of the flow, we make use of the large eddy simulation technique (LES) with the discretization based on the finite differences method over a three-dimensional domain. The results show good agreement with experimental data found in the literature.