Modelagem e simulação de chamas difusivas turbulentas de etanol

Abstract

Neste trabalho apresenta-se uma modelagem e a simulação de chamas difusivas turbulentas de etanol. A pesquisa trata da simulação da mistura molecular envolvendo reações químicas e combustão. Como os modelos de cinética química detalhada podem tornar-se computacionalmente proibitivos, por possuírem inúmeras reações e várias espécies, modelos cinéticos reduzidos são adotados. O mecanismo de oxidação do etanol utilizado possui 372 reações elementares e 56 espécies. Para diminuir a rigidez do sistema de equações rea- tivas resultantes, desenvolveu-se um mecanismo reduzido através do Método de Redução Sistemático, que usa as hipóteses de equilíbrio parcial e de regime permanente. A técnica Reaction Difusion Manifolds (REDIM), que aplica o conceito de variedade invariante, também foi implementada. A formulação Euleriana é utilizada para resolver as equações governantes da fase gasosa, que incluem as equações de Navier-Stokes, fração de mistura, fração mássica das espécies e temperatura. O efeito das gotas, fase líquida, é considerado pela introdução de termos fonte apropriados nas equações da fase gasosa. A Simulação em Grandes Escalas é utilizada para representar o fluxo turbulento com o modelo submalha de Smagorinsky para modelar a viscosidade turbulenta. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças finitas com um sistema não oscilatório do tipo Total Variation Diminishing (TVD). O domínio é um queimador tridimensional com malha não uniforme para garantir a eficiência e precisão nos resultados em regiões onde o refinamento faz-se necessário. Para validar o modelo, além dos resultados numéricos para chamas difusivas de etanol, também realiza-se testes numéricos para chamas difusivas de metano e metanol, e os resultados obtidos comparam favoravelmente com dados encontrados na literatura.

This work presents the modeling and simulation of turbulent diffusion flames of etha- nol. The study addresses the simulation of the molecular mixing, chemical reactions and combustion. Since detailed chemical kinetics models may be computationally prohibitive, reduced kinetic models are adopted. The ethanol oxidation mechanism consists of 372 elementary reactions and 56 species. To decrease the stiffness of the reactive system of equations, a reduced mechanism is developed using the Systematic Reduction Method, based on the partial equilibrium and steady-state approximations. The Reaction Diffusion Manifolds (REDIM) technique, which applies the concept of invariant manifolds to treat the influence of the transport processes on the reduced model, is also employed. The Eule- rian formulation is used to solve the governing equations of the gas phase, which includes the Navier-Stokes, mixture fraction, species mass fraction and temperature equations. The effect of the drops, the liquid phase, is considered by introducing appropriate source terms in the equations of the gas phase. Large-Eddy Simulation is used to represent the turbulent flow with the Smagorinsky model for the turbulent viscosity. The numerical simulations are carried out using the finite difference method with a non oscillatory Total Variation Diminishing (TVD) scheme. The burner is a three-dimensional domain with nonuniform mesh to ensure efficiency and accuracy in regions where mesh refinement is necessary. To validate the model, besides the numerical results for diffusive flames of ethanol, numerical tests for methane and methanol diffusive flames are also carried out and the results compare favourably with data in the literature.