Modelagem da radiação térmica em chamas turbulentas da combustão de metano em ar

Abstract

Este trabalho analisa numericamente a transferência de calor radiativa em uma chama turbulenta de metano-ar. São resolvidas equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia, espécies químicas gasosas e fuligem, e variância da flutuação de temperatura em coordenadas cilíndricas axissimétricas. O modelo de combustão é o Eddy Break-Up – Arrhenius, com reação de combustão em duas etapas. O modelo de turbulência é o k −e padrão. A modelagem das interações turbulência-radiação (TRI - do inglês: Turbulence-Radiation Interactions) considera a “correlação combinada entre coeficiente de absorção e temperatura” e a “autocorrelação de temperatura”. O termo fonte de calor radiativo é calculado com o método de ordenadas discretas, considerando os modelos de gás cinza (GC) e da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG – do inglês: weighted-sum-of-gray-gases) com correlações clássicas e recentes. O modelo linha-por-linha, considerado benchmark, também é empregado no cálculo daquele termo fonte, porém em cálculos desacoplados entre radiação e dinâmica de fluidos computacional (CFD - do inglês: Computational Fluid Dynamics), com o objetivo de avaliar os modelos WSGG e GC. Primeiramente, estudou-se o efeito da radiação térmica dos gases H2O e CO2 através dos modelos GC e WSGG, em cálculos acoplados radiação-CFD. Os resultados mostraram que os campos de temperatura e do termo fonte de calor radiativo, a transferência de calor para a parede da câmara e a fração radiativa, foram sensíveis aos diferentes modelos, enquanto o efeito sobre as concentrações das espécies foi de menor relevância para o modelo de combustão considerado. Os resultados obtidos com o modelo WSGG mais recente ficaram mais próximos dos dados experimentais da literatura, enquanto que a consideração das interações TRI melhorou esta concordância. As principais contribuições das interações TRI foram sobre a temperatura máxima e a fração radiativa, concordando com resultados da literatura. Os efeitos radiativos da fuligem juntamente com os gases também foram estudados, sendo importantes sobre o termo fonte de calor radiativo somente na região onde a fuligem estava presente (aumento de 30%). O fluxo de calor radiativo sobre a parede radial da câmara aumentou 25% na região de maior concentração de fuligem. A contribuição dos gases para a transferência radiativa foi de 92% e a da fuligem foi de 8%. Ao comparar os resultados dos modelos WSGG e GC com a solução benchmark, considerando o meio composto por gases, o modelo WSGG mais recente foi o que apresentou os melhores resultados (erro máximo 22,49%, médio 4,72%), enquanto ao considerar o meio composto por gases e fuligem, os erros foram menores (máximo 11,07%, médio 2,95%).

This work analyses numerically the thermal radiation heat transfer on a methane-air turbulent non-premixed flame. Conservation equations for mass, momentum, gaseous chemical species and soot, energy, and temperature variance, are solved in axisymmetric coordinates. The combustion model is Eddy Break-Up – Arrhenius, with two steps for the combustion reaction. Turbulence is modeled by standard k −e model. Consideration of TRI (Turbulence-Radiation Interactions) effects is made through a methodology that considers both cross-correlation between absorption coefficient and temperature and temperature self-correlation. The radiative heat source term is calculated with the discrete ordinates method, considering the gray gas model (GG) and the weighted-sum-of-gray-gases model (WSGG) based on classical and recent correlations. The benchmark solution obtained by the line-by-line model is also employed to calculate that source term, but in decoupled radiation-CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations, with the objective of evaluating WSGG and GG models. Firstly, it was studied the effects of thermal radiation from the gases H2O and CO2 employing GG and WSGG models, and then the influence of TRI was also studied, both in coupled radiation- CFD calculations. Results pointed that temperature and radiative heat source fields, as well as wall heat transfer rates and radiative fraction, were significantly affected by thermal radiation, as well as by the different models and by TRI, while the influence on species concentrations was minor, for the combustion model employed. Numerical results obtained considering the recent WSGG model correlations were closer to experimental data from literature, and consideration of TRI into calculations improved that agreement. The main TRI contributions were the decrease on flame peak temperature and the increase on radiative fraction, in agreement with literature data. Radiative effects of the mixture of soot and gases were also studied, showing to be important for the radiative heat source only in the region with presence of soot (increase of 30%). Radiative heat flux on chamber wall increased 25% locally in the region with the highest soot concentration. Contribution of gases and soot for the net radiative transfer was 92% and 8%. Comparing the results obtained with WSGG and GG models with the benchmark solution in decoupled radiation-CFD calculations, considering the media composed by CO2 and H2O, the recent WSGG reached the best results (maximum error of 22.49%, average error of 4.72%), while considering the media composed by gases and soot, errors were reduced (maximum of 11.07% and average of 2.95%).