Modelação química e de turbulência

5.1.1.1. Modelos de combustão gerais

SAGE – Detailed Chemical Kinetics Model

Um mecanismo de reações químicas é um conjunto de reações elementares que descrevem em detalhe uma reação química global. Estes mecanismos podem ser alterados de modo a se poder realizar combustão de diferentes combustíveis (existem mecanismos para vários combustíveis, como por exemplo isso-octano, gasolina, gás natural, entre outros.).

O modelo SAGE resolve problemas de valor inicial para equações diferenciais ordinárias (ODE), calculando taxas de reação para cala reação elementar enquanto o código de CFD resolve as equações de transporte. O modelo SAGE, juntamente com a AMR torna-se num mecanismo preciso, podendo ser usado para modelar vários regimes de combustão.

Este modelo permite ainda a reação entre três corpos (entidades moleculares) com a capacidade de especificação de diferentes eficiências para diferentes elementos químicos.

As equações utilizadas neste modelo são resolvidas a cada intervalo de tempo sendo os elementos químicos atualizados apropriadamente.

De modo a acelerar a solução é possível ativar o modelo multi-zona, permitindo a resolução em zonas (grupos de células) que possuam estados termodinâmicos semelhantes. Neste, em cada intervalo de tempo as células estão num determinado estado termodinâmico, sendo agrupadas em zonas. Para cada zona, a composição e a temperatura média é determinada para se especificar o estado termodinâmico da mistura naquela zona. O modelo SAGE é depois usado em cada zona. O número de zonas não é pré-determinado, variando dinamicamente com a estratificação dos parâmetros do escoamento. Na estratégia de multidimensional de divisão de zonas podem ser utilizadas diferentes variáveis de interesse para a separação ocorrer, podendo ser por temperatura, pressão, taxa equivalente de progresso, taxa total equivalente ou pela raiz cúbica da fração mássica de um elemento químico específico. Para aplicações de um só combustível em geral um zonamento 2D possui um bom desempenho, mas tal pode não ocorrer para aplicações em que se utilize vários combustíveis.

CEQ – Chemical Equilibrium

Se as escalas de tempo químicas forem mais rápidas que as escalas de tempo de transporte, pode-se usar o equilíbrio no modelo químico. Ao contrário de muitos modelos de equilíbrio, com o modelo CEQ existe a certeza de convergência para qualquer combinação de elementos químicos gasosos.

De modo a reduzir o tempo de simulação são definidos dois tipos de input nos quais se pode definir a temperatura mínima e a fração molar de hidrocarbonetos mínima no qual o modelo CEQ é utilizado. Esta última inclui ainda a fração molar de CO sendo esta incluída para permitir ocorrência de reação química de monóxido de carbono em células que não incluem hidrocarbonetos.

Pode-se ainda reduzir o tempo computacional limitando o número de elementos químicos que são resolvidos como parte do modelo de equilíbrio CEQ.

5.1.1.2. Modelos de combustão simplificados de gases pré-misturados

A combustão de gases pré-misturados necessita que o oxidante e o combustível estejam completamente misturados antes que o início de combustão se dê. Isto só é possível a baixas temperaturas onde as reações de combustão são consideradas inexistentes. Este estado é estável de modo que uma fonte de calor suficientemente forte (como uma faísca) consegue elevar a temperatura acima do qual é iniciada a combustão. Aquando o combustível e o oxidante estejam misturados homogeneamente e seja fornecida uma fonte de calor, a frente da chama pode propagar pela mistura.

Tipicamente, os gases atrás da chama aproximam-se rapidamente do estado de gases queimados próximos do equilíbrio químico e a mistura presente à frente da chama continua num estado não queimado.

G-equation – Combustion Model

A ignição para o modelo G-equation é normalmente obtida através de um termo fonte. Quando uma temperatura ultrapassa um limite pré-introduzido, G é iniciado nessa célula e o modelo irá propagar a chama a partir das células inicializadas, determinando a localização da frente da chama ao longo do tempo.

Normalmente este modelo não necessita de nenhum modelo de combustão para localizar a frente da chama, pelo que costuma ser mais rápido do que modelação química detalhada. Contudo, de modo a se obter os produtos da combustão e previsão de emissões, é recomendado a utilização de modelação química detalhada em conjunto com o modelo de turbulência RANS e AMR. Assim é possível obter 3 casos distintos apresentados de seguida.

No primeiro caso é utilizado o modelo CEQ na frente da chama e na região queimada, sendo o modelo mais rápido dos três.

O segundo caso utiliza também o modelo CEQ na frente da chama e na região queimada, mas utiliza ainda o modelo SAGE na região não queimada, sendo uma opção que permite prever as emissões de NOX com precisão.

O terceiro caso o modelo CEQ na frente da chama e o modelo SAGE na região queimada e não- queimada, sendo útil para prever knock.

Uma grande desvantagem da utilização do modelo G-equation reside na necessidade de numerosas simplificações na derivação do modelo, resultando num modelo menos preditivo.

ECFM – Extended Coherent Flame Model

Este modelo foi desenvolvido para modelar com precisão o processo de combustão, especialmente nos motores de ignição comandada de injeção direta. A relação combustível/ar nos gases frescos, a composição e a temperatura próxima da chama são utilizadas para determinar a densidade da superfície da chama. Esta é utilizada para descrever a estratificação queimada e não queimada de larga escala.

Neste modelo é possível ativar o modelo de ignição por faísca, dividindo o processo de combustão geral em três partes. A primeira é puramente laminar, a segunda envolve um crescimento misturado onde fenómenos laminares e turbulentos têm efeitos semelhantes e a última corresponde a uma propagação da chama totalmente turbulenta.

A cinética após chama e a oxidação podem ser tratadas de duas maneiras, através do método de Colin ou pelo uso do modelo CEQ, sendo o último o recomendado, resolvendo os elementos químicos em equilíbrio em cada etapa de combustão, sendo aplicada durante a frente da chama e após esta.

5.1.1.3. Modelos diesel simplificados

Em motores diesel, a mistura sofre reações químicas que resultam na ignição. Após esta ter ocorrido, o combustível que foi injetado e misturado com o ar é submetido à fase de combustão de combustível pré misturado. Após este ser consumido, ocorre a fase de combustão de mistura controlada, em que a combustão é controlada pelo processo de mistura entre o combustível e o ar.

O software Converge oferece duas metodologias distintas para modelar os processos de ignição e combustão. A primeira metodologia usa modelos distintos para os dois processos, sendo baseados no modelo de ignição Shell e no modelo Characteristic Time Combustion (CTC). Como esta aproximação é bastante simplificada, o tempo de simulação é bastante reduzido. A segunda metodologia usa o modelo SAGE. Sendo este um modelo mais complexo e rigoroso, o tempo de simulação pode ser significativamente superior, mas os resultados provenientes desta podem ser consideravelmente mais precisos.

Shell – Modified Ignition Model

De modo a modelar o atraso da ignição dos motores a diesel, este modelo é baseado no modelo Shell que utiliza um mecanismo de reação simplificado para simular a auto-ignição em motores diesel.

O modelo de ignição Shell não modificado é recomendado, porém, o modelo Shell modificado é fisicamente mais correto.

CTC – Characteristic Time Combustion Model

A combustão pode ser simulada com este modelo. Possui duas constantes que podem ser usadas no aumento ou diminuição da taxa de combustão durante as porções de pré mistura ou mistura controlada de combustível da combustão, sendo possível alterar a duração desta.

Shell + CTC Model

Uma aplicação comum dos modelos Shell e CTC é a sua implementação simultânea, sendo o modelo Shell aplicado nas células que estão na fase de ignição e o modelo CTC nas células que estão na fase de combustão. As duas fases são distinguidas pela temperatura local do gás e por um coeficiente de atraso.

ECFM3Z – Extended Coherent Flame Model 3 Zones

Para combustão de gases parcialmente pré misturados (ou não misturados), o modelo ECFM é acompanhado de um modelo de mistura e é conhecido por ECFM3Z. Este método cria uma zona de mistura entre a zona do ar e do combustível, apresentando no total 3 zonas.

Neste é necessário definir que se trata de um caso de combustão de diesel e escolher entre o modelo de atraso de combustão simples ou o modelo de atraso de combustão duplo (Tabulated Kinetic Ignition, TKI).

Em motores HCCI diesel, o processo de auto ignição é controlado pelo efeito de chamas frescas, sendo este caracterizado por um incremento lento de temperatura após o atraso inicial, seguido por uma redução das velocidades de reação até um segundo atraso ser alcançado. Após este segundo atraso, as velocidades de reação aumentam rapidamente e ocorre a principal autoignição. O modelo TKI utiliza tabelas contendo os resultados de cálculos químicos complexos de autoignição.

5.1.1.4. Modelo de combustão turbulento de gases não misturados

RIF – Representative Interactive Flamelet

A combustão num escoamento turbulento de gases não misturados é restrita a regiões relativamente pequenas de mistura molecular que se encontram nos limites de inflamabilidade. A interação de um escoamento altamente turbulento com o processo de combustão é orientada por química não-linear em que a escala de tempo da química é muito inferior à escala de tempo da turbulência. O modelo Representative Interactive Flamelet (RIF) separa eficientemente a solução do escoamento turbulento da difusão da chama.

O modelo RIF é baseado na transformação de coordenadas que usa a fração da mistura como uma coordenada independente, levando à resolução da estrutura interna da zona de reação através cálculo a 1D.

5.1.1.5. Modelação de turbulência

Existem duas opções, o uso de modelos RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) e modelos LES (Large Eddy simulation). A diferença entre estes modelos é o modo como os domínios são decompostos para modelação.

Dentro dos modelos RANS, o software disponibiliza os seguintes modelos: -Standard 𝜅 − 𝜀;

-RNG (Renormalization Group) 𝜅 − 𝜀; -Rapid Distortion RNG 𝜅 − 𝜀;

Nos modelos LES existem duas classes, zero-equation e one-equation, em que a última adiciona uma equação de transporte adicional [22].