Geração de soluções Benchmark e avaliação de modelos de radiação térmica em processos de combustão

Abstract

Em processos de combustão, uma determinação precisa dos parâmetros envolvendo transferência de calor influencia diretamente os demais fenômenos envolvidos. Dentre os mecanismos de transferência de calor presentes na combustão a radiação térmica é predominante, mas sua correta determinação impõe uma elevada complexidade, principalmente quando se trata da solução de meios participantes. O cálculo envolve propriedades de absorção que variam com a temperatura e o comprimento de onda, sendo então necessária a utilização de modelos espectrais para obter bons resultados com um baixo tempo computacional. Para o cálculo da transferência radiante, existem diversos modelos espectrais, desde modelos de simples implementação, como, por exemplo, o GG (gás cinza) e o WSGG (soma-ponderada-dos-gases-cinza), até modelos com um grau elevado de detalhamento, como o SLW (soma-ponderada-dos-gases-cinza baseado em linhas espectrais) e o CW (número de onda cumulativa). Como os modelos com maior grau de detalhamento são de complexa implementação, alguns autores preferem empregar modelos simplistas, como o GG (gás cinza), apenas por questões de conveniência, mesmo em detrimento da qualidade dos resultados. Uma forma de executar o cálculo da radiação térmica sem simplificações é levar em conta as absorções em cada comprimento de onda, sendo esses cálculos denominados integração linha-por-linha (LBL), por executar o cálculo da transferência radiante em cada linha de absorção, o que gera resultados benchmark, podendo ser utilizados para avaliar os diversos modelos existentes. Este trabalho tem por objetivo verificar e sintetizar a aplicação dos modelos espectrais, em configurações envolvendo concentração e temperatura não uniformes, onde são realizados cálculos em um meio contendo CO2, H2O e fuligem. São avaliados os modelos GG, WSGG, SLW e CW. Dentre os modelos avaliados, o que apresenta os melhores resultados para as condições apresentadas é o modelo WSGG. De forma a aprimorar o modelo WSGG, uma nova implementação para a solução de misturas é apresentada, a qual apresenta correlações para o H2O e para o CO2 geradas individualmente, possibilitando misturas com qualquer razão de concentração, mostrando que o modelo apresenta bons resultados em diversas situações e é uma boa opção para a solução de problemas de combustão.

In combustion processes a good determination of the heat transfer parameters are of great importance because of its direct influence in the computation of the chemical reactions rate in the process and, consequently, in the formation of the combustion products. Among the processes of heat transfer in combustion, thermal radiation is predominant, and their determination can be a very complex task, especially with participating medium. The analysis involves absorption properties that vary with the temperature and wavelength, and therefore it is necessary to use spectral models to ensure good results with low computational time. There are several spectral models developed along the years, since the simplistic models such as the GG (gray gas) and WSGG (weighted-sum-of-gray-gases), to more advanced methods such as the SLW (spectral line weighted-sum-of-gray-gases) and CW (cumulative wavenumber). Due advanced models are in general a hard task to implement, the option is to use simplified models, for example the GG, even working with considerably errors. In order to quantify these solutions, for temperature and concentration conditions of the absorbing species, it is necessary to implement the radiation heat transfer taking into account the absorption at each wavelength through line-by-line (LBL) integration, being this solution the exact one, or, the benchmark solution, which it is used to evaluate the spectral models. In this study, the LBL integration is carried out to evaluate some of the existing models in a non-isothermal and inhomogeneous medium containing CO2, H2O and soot. The work involves the GG, WSGG, SLW and CW spectral models. For the presented cases, the best results occur with WSGG model. In order to improve the WSGG model a new implementation for the mixture solution is presented, which solves the correlations for H2O and CO2 generated individually, enabling mixtures containing any concentration ratio, showing the good agreement of the spectral model at any condition, being the WSGG a good option to solve combustion problems.