De acordo com Cant e Mastorakos (2008), a maioria das modelagens existentes para a combustão pré-misturada turbulenta assume que a chama está no regime flamelet, que, de acordo com o diagrama de Borghi modificado (Figura 2.7), ocorre para >> 1, < 1 e > 1.
Para chamas que não são fortemente distorcidas pela turbulência, localmente sua estrutura pode ser vista como a de uma chama laminar, esse é o conceito de flamelet. A chama é vista como uma interface fina e enrugada que separa os reagentes dos produtos. Considerando o regime flamelet, é possível desacoplar a química da turbulência, ou seja, propriedades da chama laminar podem ser usadas para calcular taxas de reação e de transporte locais, e modelos de turbulência padrões podem ser utilizados para o cálculo das principais variáveis do escoamento, o que é uma grande vantagem (CANT e MASTORAKOS, 2008).
De acordo com Cant e Mastorakos (2008), o modelo mais clássico para combustão turbulenta pré-misturada que utiliza o conceito flamelet é o BML, que foi proposto por Bray, Moss e Libby. A formulação BML é baseada num argumento físico, dado que a chama pré- misturada turbulenta é constituída por flamelets finos, para um dado sensor fixo no espaço, em um dado momento será detectado produto em outro momento reagente, como a chama é muito fina, apenas em um curto espaço de tempo o gás reagindo (a chama) será detectado. Baseando-se nesse argumento, a formulação utiliza uma nova variável, a variável de progresso ( ), dada pela Equação 2.48, que é definida como zero nos reagentes e um nos produtos:
(2.48)
onde é a fração mássica de combustível nos produtos e é a fração mássica de combustível nos reagentes.
A formulação BML é extremamente extensa, e foge do escopo deste trabalho descrevê-la por completo. Porém o modelo para a taxa média de reação química ( ̅) é de fundamental importância para o trabalho em questão, e será detalhado na subseção 5.1.2.
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3 EXPLOSÃO DE GÁS
A explosão de gás nada mais é do que a combustão de uma nuvem de gás pré-misturada que contém uma mistura inflamável de oxidante-combustível que gera um rápido aumento da pressão (BJERKETVEDT et al., 1997). Ou seja, para que uma explosão deste tipo ocorra em um ambiente parcialmente confinado, primeiramente deve ocorrer a liberação de material inflamável para formação da nuvem. A nuvem formada deve se misturar com o ar antes da ignição, formando uma mistura inflamável, ou seja, dentro dos limites superior e inferior de inflamabilidade. Só após a ignição ocorrer (ou após a temperatura de autoignição ser atingida) a reação de combustão se inicia, e a chama se propaga consumindo os reagentes.
Segundo Crowl e Louvar (2009), uma explosão resulta de uma rápida liberação de energia. Essa energia liberada é dissipada de várias maneiras, como por exemplo, pela formação de uma onda de pressão, de projéteis, radiação térmica, e energia acústica. E essa energia se dissipando é a responsável pelo dano causado em uma explosão. Para o caso de uma explosão de gás, essa energia faz o gás expandir rapidamente, formando uma onda de pressão que se move para fora a partir da fonte da explosão. Essa onda é a responsável pela maioria dos danos causados nas imediações do local da explosão. Portanto para entender os impactos causados por uma explosão de gás é necessário entender a dinâmica da onda de pressão.
De acordo Bjerketvedt et al. (1997) quando o ar é colocado em movimento devido à ocorrência de uma explosão, uma onda é gerada, é a chamada blast wave (onda de pressão se propagando no ar). Uma blast wave pode conter três tipos de ondas: ondas de compressão sônicas (sonic compression waves), ondas de choque (shock waves) e ondas de rarefação (rarefaction
waves). O tipo de onda depende basicamente de como e quando a energia da explosão é liberada
e também da distância em relação ao local em que ocorreu a explosão. O gráfico da Figura 3.1 apresenta um esquema representativo destes três tipos de onda.
Uma onda de choque (shock wave) pode ser definida como uma onda de compressão totalmente desenvolvida de grande amplitude, na qual ocorre uma mudança abrupta de densidade, pressão e velocidade de partícula. Uma onda deste tipo se propaga com velocidade supersônica (BJERKETVEDT et al., 1997).
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Figura 3.1: Gráfico de pressão num dado ponto ao longo do tempo descrevendo possíveis tipos de blast waves em uma explosão,: (A) shock wave seguida de rarefaction wave, (B) shock wave seguida de sonic
compression wave e rarefaction wave e (C) sonic compression wave seguida de rarefaction wave
(Adaptado de Bjerketvedt et al., 1997).
Uma terminologia muito utilizada na área de explosão é a sobrepressão (overpressure), portanto é importante saber o seu significado. Ela é definida como a pressão absoluta gerada pela explosão ( ) menos a pressão atmosférica local ( ), Equação 3.1 (CROWL e LOUVAR, 2009).
(3.1)
Os danos causados por uma explosão de gás estão associados à sobrepressão gerada. Clancey (1972) apud CCPS (2000) apresenta estimativas de danos causados a estruturas de acordo com a sobrepressão da explosão. A Tabela 3.1 exibe algumas das suas estimativas.
Tabela 3.1: Estimativas de danos causados em estruturas de acordo com a sobrepressão gerada pela explosão (Adaptado de: CCPS, 2000).
Sobrepressão (bar) Dano estimado
0,0103 Valor típico para quebra de vidros
0,069 Demolição parcial de casas, tornando-as inabitáveis 0,138 Colapso parcial de muros e telhados de casas 0,345 – 0,482 Destruição quase completa de casas
0,689
Provável destruição total de construções; máquinas pesadas (7.000 lb) deslocadas e bastante danificadas;
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Outro importante aspecto no estudo das explosões de gás é saber diferenciar a explosão quanto ao modo de propagação da chama (deflagração e detonação) e de acordo com o local em que ocorre (confinada, parcialmente confinada e não confinada), já que a sobrepressão gerada e, consequentemente, o seu impacto, dependem desses fatores. Essa diferenciação será feita na seção 3.1.
Como o escopo deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo para a estimativa da sobrepressão máxima de uma explosão no modo de deflagração, os principais fatores que influenciam este tipo de explosão serão discutidos na seção 3.2.