Escoamento isotérmico

O primeiro e principal módulo do modelo abrangente se refere à simulação isotérmica da fase contínua, o escoamento dos gases de combustão. O modelo de combustão homogênea EDM é fortemente influenciado pela escala de tempo da turbulência definida pela razão entre a dissipação da energia cinética turbulenta e a cinética turbulenta, ambas variáveis do modelo de turbulência. Apesar das variáveis turbulentas não influenciarem o acoplamento das fases nem o coeficiente de arrasto, a trajetória das partículas é influenciada pelo escoamento dos gases de combustão. Como a volatilização ocorre ao longo das trajetórias do licor, sua combustão é influenciada pelo perfil de velocidades da fase contínua.

As Figura 5.1 compara perfis de velocidade e campos vetoriais em planos verticais para o escoamento da fase contínua sob regime laminar e regime turbulento representado pelos modelos k-ε padrão e SST.

laminar k-ε SST

Figura 5.1: Perfis de velocidades e campos vetoriais dos gases de combustão em plano vertical sob regime a) laminar e regime turbulento representado pelos

modelos b) k-ε e c) SST.

De acordo com a comparação da Figura 5.1, o escoamento da fase contínua sob regime laminar apresenta valores numéricos de velocidades e tendência de

mistura superiores em relação aos apresentados sob regime turbulento pelos modelos k-ε e SST. O escoamento obtido sob regime laminar apresenta maior grau de mistura em todo o domínio da fornalha, incoerente com uma das funções da inserção do ar terciário, com a operação desejada e o design da caldeira de recuperação. Os comportamentos do escoamento obtidos para os modelos k-ε e SST são similares com as maiores velocidades abaixo do nível de ar terciário e o escoamento mais uniforme e estável acima desse.

A Figura 5.2 apresenta perfis de velocidade e campos vetoriais para um plano horizontal no nível do ar secundário.

Laminar

k-ε

SST

Figura 5.2: Perfis de velocidades e campos vetoriais dos gases de combustão no nível de alimentação do ar secundário sob regime a) laminar e regime turbulento

Apesar dos resultados de escoamento em regime laminar da Figura 5.1 apresentarem um comportamento mais instável em relação às simulações com modelo de turbulência, essa diferença ainda não é observada no nível de alimentação do ar secundário, como pode ser visto na Figura 5.2. Assim como descrito em Adams et al. (1997) e Ferreira et al. (2010), o entrelaçamento das correntes de ar secundário tem como principal função promover a mistura dos gases de combustão e delimitar a altura do leito carbonizado. Sendo assim, suas portas de alimentação apresentam os maiores valores de velocidade dos gases, bem discrepantes das velocidades no restante do domínio computacional. Portanto, para a escala de valores de velocidade definida para a Figura 5.2, é impreceptível qualquer influência do regime de escoamento ou modelo de turbulência adotado para o entrelaçamento de ar secundário.

A Figura 5.3 apresenta perfis de velocidades e campos vetoriais para os planos horizontais nos níveis de entrada de ar terciário com intuito de visualizar sua interação com o escoamento dos gases de combustão.

Laminar

k-ε

SST

Figura 5.3: Perfis de velocidades e campos vetoriais dos gases de combustão nos níveis de alimentação de ar terciário sob regime a) laminar e regime

É possível observar na Figura 5.3 que o escoamento dos gases de combustão na altura da alimentação de ar terciário apresenta maior grau de mistura, maiores velocidades e maior tendência à instabilidade na simulação sob regime laminar em relação às simulações considerando os modelos RANS. Dentre os resultados calculados sob regime turbulento, não foram obtidas diferenças significativas. De acordo com Ferreira et al. (2010), a inserção de ar terciário exerce a função de atenuar os caminhos preferenciais ascendentes gerados pela interação das correntes de ar primário e secundário, direcionados pelo formato piramidal do leito carbonizado. Esse efeito é, de fato, observado nos casos com regime turbulento.

Uma ferramenta muito útil na visualização de caminhos preferenciais ascendentes é o uso de iso-superfícies. A Figura 5.4 apresenta a visualização de iso-superfícies de velocidade 2,5 m/s na fornalha da caldeira de recuperação. Também é ilustrado o campo vetorial de velocidades no nível do ar terciário superior para auxiliar na observação da influência do ar terciário na atenuação de caminhos preferenciais ascendentes.

Laminar k-ε SST

Figura 5.4: Iso-superfícies de 2,5 m/s dos gases de combustão no interior da caldeira de recuperação sob regime a) laminar e regime turbulento representado

pelos modelos b) k-ε e c) SST.

É possível observar na Figura 5.4 que, sob regime laminar, os resultados de simulação apresentam altas velocidades nas paredes frontal e traseira, o que reforça a tendência a escoamento altamente instável na fornalha. Nos casos em que são usados modelos de turbulência, as iso-superfícies indicam que a mistura dos gases se concentra abaixo no nível superior de ar terciário. Em todos os casos simulados é possível observar a presença de maiores velocidades nos cantos das paredes frontal-esquerda e traseira-direita devido ao entrelaçamento assimétrico dos ares secundário e terciário.

Como a transição entre os regimes laminar e turbulento é um fenômeno físico ainda em aberto na ciência, não existem modelos matemáticos capazes de descrevê-la em geometrias complexas como a caldeira de recuperação. Sendo assim, uma simulação em regime laminar cujas condições de contorno se referem a um regime turbulento é capaz, apenas, de representar a tendência do escoamento à transição. Por se tratar de um processo essencialmente transiente, é esperado que a representação do escoamento laminar sob

condições turbulentas em regime permanente apresente um comportamento instável e impreciso. Ao usar modelos de turbulência, nos quais já considerando que o escoamento em todo domínio se encontra desenvolvido, sob turbulencia, é esperado que a dissipação de energia cinética turbulenta, presente em ambos modelos RANS usados, seja a principal responsável pelo auto grau de mistura abaixo do ar terciário e também pela estabilização do escoamento na região superior da fornalha. Devido à sua capacidade de representar melhor o escoamento nas proximidades das paredes sem prejudicar a representação da turbulência distante delas, o modelo SST é considerado mais adequado para simular o escoamento dos gases de combustão porque irá permitir uma representação mais precisa da sua camada limite térmica. Portanto, os próximos resultados apresentados são referentes ao modelo SST.