Montagem Experimental
3.1 M ´etodos Experimentais
3.1.2 Particle Image Velocimetry - Medic¸ ˜ao de Velocidade
Esta t ´ecnica ´e usada para efetuar medic¸ ˜oes instant ˆaneas do campo de velocidades em escoamentos laminares e/ou turbulentos com e sem chama como enunciam Mungalet al. [18].
Em maior rigor, este m ´etodo consiste num pulso laser, focado numa ´area de interesse, que ilumina as part´ıculas transportadas pelo flu´ıdo em quest ˜ao. Estas part´ıculas inseridas no escoamento descre-vem uma trajet ´oria e possuem caracter´ısticas espec´ıficas. Uma c ˆamara de alta velocidade encontra-se, em conjunto com o laser, ligada ao sincronizador, respons ´avel pelo sincronismo entre os pulsos do laser e os tempos de captura de imagem da c ˆamara. Cada imagem possui um conjunto de doisframes,
´e nestes que o movimento da part´ıcula deve ser not ´orio para futuro p ´os-processamento do campo de velocidades bidimensional. A figura 3.6 mostra o esquema da montagem experimental.
Figura 3.6: Esquema da montagem experimental doPIV.
No que diz respeito `a descric¸ ˜ao t ´ecnica do equipamento, o laser ´e produzido e comercializado pela empresa DANTEC Dynamics. O modelo ´e o Dantec Dual Power 65-15 Yag. Possui duas cavidades de laser com uma frequ ˆencia m ´axima entre pulsos de 15 Hz, figura 3.7 (c), e vem equipado com um sistema de arrefecimento a ´aguaDantec FLOWHUB1500, figura 3.7 (a). A aquisic¸ ˜ao de imagem est ´a a cargo da c ˆamaraZyla5.5sCMOS, equipada com uma lenteNikkor de 60 mm, presente na figura 3.7 (b). No que toca ao sincronizador, este ´e oriundo da empresaBerkeley Nucleonics Corp.com o modelo 575Pulse Generator, figura 3.7 (a). Por fim, a empresaDANTEC Dynamicsfornece oSoftware Dantec Dynamic Studio5.1, respons ´avel pela aquisic¸ ˜ao e p ´os-processamento dos dados adquiridos.
Para cada chapa circular, figura 3.2 (a) e (b), foi retirada uma imagem de calibrac¸ ˜ao, para que o fator de escala pixel/mil´ımetro pudesse ser calculado. Esta tarefa foi executada com o aux´ılio de um alvo com papel milim ´etrico posicionado no centro do furo da chapa circular, topo do queimador, onde, em seguida, procedeu-se `a sua focagem com a c ˆamara.
A c ˆamara foi posicionada de forma a captar a totalidade da chama bem como de todo o di ˆametro da chapa circular instalada no topo do queimador. Acoplado na c ˆamara, foi utilizado um filtroMelles Griot,
figura 3.7 (d), de 532 nm, para evitar exposic¸ ˜ao excessiva `a luz, permitindo apenas que a radiac¸ ˜ao na banda do verde o atravesse.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 3.7: Componentes PIV; (a) Montagem eletr ´onica do PIV; (b) C ˆamara Zyla 5.5 sCMOS; (c) Dantec Dual Power 65-15 Yag Laser; (d) FiltroCVI Melles Griot.
Para efeitos de estat´ıstica, e futuro p ´os-processamento, foram retiradas 200 imagens do escoamento com as part´ıculas.
Al ´em disso, foi capturada uma imagem da chama sem part´ıculas nem filtro, e com o diafragma da c ˆamara na posic¸ ˜ao de menor abertura, para evitar danificar os seusCCD. Esta imagem foi retirada para efeitos de sobreposic¸ ˜ao ao futuro campo de velocidades gerado no p ´os-processamento.
As part´ıculas s ˜ao introduzidas dentro de um pequeno reservat ´orio em conjunto com um ´ıman, e energizadas com recurso a um agitador magn ´etico, que ao gerar o campo, faz rodar o ´ıman, e assim, promove a agitac¸ ˜ao, facilitando o seu transporte.
Atrav ´es da figura 3.8 (a) ´e poss´ıvel visualizar a injec¸ ˜ao de part´ıculas atrav ´es dos doze furos que se encontram na base de suporte do queimador, de forma a criar uma atmosfera de part´ıculas envolvente
`a chama. Estas s ˜ao injetadas a baixas velocidades e pretende-se com isso, quantificar os efeitos de arrastamento das mesmas para a chama. Para direcionar o escoamento da atmosfera envolvente para a chama, foi criado uma estrutura em vidro acr´ılico com dimens ˜oes de 100x100x35 mm, com revestimento em papel autocolante preto para evitar reflex ˜oes do laser para a c ˆamara, como se pode ver na figura 3.8 (b).
(a) (b)
Figura 3.8: EstruturaPIV; (a) Base do queimador com os furos de injec¸ ˜ao de part´ıculas; (b) Estrutura em vidro acr´ılico.
Part´ıculas
E elementar realc¸ar que, num teste de´ PIV, n ˜ao ´e a velocidade do escoamento que ´e medida, mas sim a velocidade das part´ıculas que seguem o escoamento.
De acordo com Melling [19], as part´ıculas devem possuir as seguintes caracter´ısticas, n ˜ao-t ´oxicas, n ˜ao-corrosivas, n ˜ao-abrasivas, n ˜ao-vol ´ateis e inertes quimicamente. Existem v ´arios par ˆametros a ter em conta na escolha das part´ıculas a utilizar, nomeadamente, o seu material (´ındice de refrac¸ ˜ao, massa espec´ıfica), seu di ˆametro, o tipo de laser bem como a largura e espessura do feixe de laser e o tipo de flu´ıdo em que ir ˜ao ser utilizadas, l´ıquido ou g ´as. As dimens ˜oes do feixe de laser, bem como as suas caracter´ısticas, em conjunto, indicam qualitativamente a interac¸ ˜ao entre a escolha do di ˆametro da part´ıcula e a intensidade de luz disseminada.
Idealmente e segundo, [19], a distribuic¸ ˜ao de part´ıculas deve ser uniforme no flu´ıdo. Contudo, com grandes caudais volum ´etricos, o requerimento global para a uniformidade das part´ıculas pode exceder a capacidade de fornecimento das mesmas. Neste caso, adota-se a pr ´atica da uniformidade local na regi ˜ao de interesse ao estudo.
Ent ˜ao, para que as part´ıculas consigam representar o movimento do flu´ıdo, elas dever ˜ao ser capa-zes de o acompanhar. Para tal, estas n ˜ao poder ˜ao ser pesadas, caso contr ´ario ter ˜ao in ´ercia excessiva e n ˜ao ir ˜ao descrever, devidamente, o movimento do flu´ıdo. Tamb ´em ´e necess ´ario que as part´ıculas men-cionadas disseminem de forma eficaz a luz emitida pelo laser, para que a c ˆamara consiga acompanhar a sua trajet ´oria.
Tendo em conta toda a informac¸ ˜ao anterior, as part´ıculas que melhor se adequam a todos estes par ˆametros s ˜ao as de ´Oxido de Alum´ınio (Al2O3), com di ˆametro de 3µm, daLogitech Calcined Alumi-nium Oxide Powder. Para as condic¸ ˜oes de operac¸ ˜ao, o n ´umero deStokesdescrito em [19] e elucidado na equac¸ ˜ao 3.3, ´e o n ´umero que relaciona o tempo de relaxac¸ ˜ao t0, descrito na equac¸ ˜ao 3.4 com a velocidade do flu´ıdo U, e o comprimento caracter´ıstico l0, neste caso, o furo da chapa circular, figura 3.2. Por sua vez, o tempo de relaxac¸ ˜ao ´e a raz ˜ao entre a massa espec´ıfica da part´ıcula ρp, o seu di ˆametro dp e a viscosidade din ˆamica da mistura µmist. Substituindo valores na equac¸ ˜ao 3.3,
chega-mos `a conclus ˜ao que o n ´umero deStrokes ´e cerca de duas ordens de grandeza abaixo da unidade, o que significa que a part´ıcula segue as linhas de corrente do escoamento.
Stokes=t0U
O p ´os-processamento das imagens adquiridas foi executado atrav ´es do Softwaredisponibilizado pela empresaDantec, denominadoDynamic Studio 5.1. O m ´etodo aplicado para extrair o campo de veloci-dades foi oAverage-Correlation. Foi escolhido este m ´etodo devido `a sua fiabilidade para escoamentos com direc¸ ˜oes predominantes.
O primeiro passo do processo consiste em subdividir cada frame de uma imagem em ´areas ex-tremamente pequenas que se denominam de ´areas de interrogac¸ ˜ao. Na figura 3.9, encontra-se um esquema exemplificativo de um framecom as v ´arias ´areas de interrogac¸ ˜ao,”Interrogation Area”. Se-gundo, [19], para elevada qualidade na aquisic¸ ˜ao de imagens da experi ˆencia, devemos garantir no m´ınimo tr ˆes part´ıculas por cada ´area de interrogac¸ ˜ao definida.
Figura 3.9: Exemplo esquem ´atico de umframecom part´ıculas e as respetivas ´areas de interrogac¸ ˜ao.
Para cada ´area de interrogac¸ ˜ao, s ˜ao gerados v ´arios vetores m ´edios de velocidade conforme o n ´umero de part´ıculas l ´a existente. A escolha do seu tamanho assenta na depend ˆencia do campo de velocidades e do tempo entreframes. O objetivo passa por manter as part´ıculas dentro da ´area de interrogac¸ ˜ao de umframepara o outro. Para isso existe um compromisso do tempo entreframescom as ´areas de interrogac¸ ˜ao. Exemplificando, o tempo entreframesn ˜ao poder ´a ser demasiado longo, caso contr ´ario a part´ıcula n ˜ao permanecer ´a na mesma ´area de interrogac¸ ˜ao entre o primeiro e o segundo frame. A velocidade do flu´ıdo ´e tamb ´em crucial porque determina as velocidades das part´ıculas e, consequentemente, o tempo mencionado.
Atendendo a todos os fatores, previamente, referidos, a ´area de interrogac¸ ˜ao usada foi de 64x128 pixeis para o escoamento com/sem chama, privilegiando o movimento vertical do escoamento. Re-lativamente ao arrastamento das part´ıculas provenientes da atmosfera exterior, foi utilizada uma ´area
de interrogac¸ ˜ao em pixeis de 64x32, dando ˆenfase ao movimento horizontal do flu´ıdo. O tempo e a frequ ˆencia entre pulsos impostos foram de 200µm e 15 Hz, respetivamente.
Para compensar o movimento das part´ıculas de uma ´area de interrogac¸ ˜ao para outra, foi usado um par ˆametro de sobreposic¸ ˜ao,overlap parameter, de 50 % em ambas as direc¸ ˜oes como mostra a figura 3.10.
Figura 3.10: Esquema do par ˆametro de sobreposic¸ ˜ao a 50 % entreframes.
Foi selecionado o m ´etodo Average-Correlation, uma vez que o mesmo ´e utilizado em aplicac¸ ˜oes onde ´e dif´ıcil manter uma densidade de part´ıculas constante durante o tempo de aquisic¸ ˜ao, como o caso do arrastamento de part´ıculas a baixas velocidades da atmosfera envolvente. Empregou-se, de seguida um range validation para eliminar vetores n ˜ao desejados. Posteriormente, aplicaram-se m ´ascaras para mostrar apenas as regi ˜oes de interesse, e por fim, sobrep ˆos-se a foto de chama.
3.1.3 Espectroscopia
Esta t ´ecnica consiste na avaliac¸ ˜ao da radiac¸ ˜ao emitida por uma chama, neste caso uma chama de metano-ar, para obter o seu espectro ao longo da regi ˜ao do comprimento de onda entre o ultravioleta e infravermelho.
Segundo Kojimaet al. [20], a quimiluminesc ˆencia de um radical, eletronicamente, excitado numa chama, resulta de reac¸ ˜oes qu´ımicas de formac¸ ˜ao e dissociac¸ ˜ao ao longo de um processo de com-bust ˜ao. Uma chama de pr ´e-mistura emite radiac¸ ˜ao, maioritariamente, devido aos radicais deOH∗,CH∗ eC∗2, o asterisco denota o seu estado, eletronicamente, excitado, a aproximadamente 310 nm, 430 nm e 515 nm respetivamente, como mostra a figura 3.11. Em chamas de hidrocarbonetos, a intensidade de emiss ˜ao pode ser usada para observac¸ ˜ao da zona prim ´aria de combust ˜ao.
De acordo com Chenget al. [21], existe uma grande depend ˆencia entre os r ´acios dos radicais de chama e a raz ˜ao de equival ˆencia. J ´a Sandrowitzet al.[4], que trabalharam com a raz ˜ao de equival ˆencia monitorizada pela espectroscopia, aprofundam e mencionam que a variac¸ ˜ao do n ´umero de Reynolds,
equac¸ ˜ao 3.1, causa uma variac¸ ˜ao da intensidade dos picos dos radicais, mas n ˜ao altera a raz ˜ao entre eles. Em contrapartida, a variac¸ ˜ao da raz ˜ao de equival ˆencia, equac¸ ˜ao 3.2, altera a raz ˜ao entre os radicais e, em consequ ˆencia, permite que tal ferramenta seja usada no caso de situac¸ ˜oes onde a raz ˜ao de equival ˆencia seja desconhecida.
Figura 3.11: Exemplo de um espectro de uma chama laminar de metano e identificac¸ ˜ao dos seus radicais.
Relativamente `as diferentes conjugac¸ ˜oes de cores emitidas pela chama, Huang et al. [22], con-clu´ıram que est ˜ao, intrinsecamente, relacionadas com a raz ˜ao de equival ˆencia. Chamas pobres exibem tons de azul e violeta devido `a forte presenc¸a dos radicaisCH∗eOH∗, respetivamente. Com o enrique-cimento da mistura, a chama comec¸a a mostrar tons de verde, resultantes da excitac¸ ˜ao dos radicais de C∗2.
Figura 3.12: Esquem ´atico da montagem experimental da espectroscopia.
A montagem experimental da t ´ecnica em uso, espectroscopia, encontra-se representada na figura 3.12, composta pela fibra ´otica,Ocean Optics QP400-2-SR-BX, de 2 m de comprimento e di ˆametro interior de 400µm, que conecta o espectr ´ometro ao diafragma. O espectr ´ometro, figura 3.13 (a), com o
modeloQE65000, encontra-se ligado ao computador viaUSB, ficando a seu cargo separar a radiac¸ ˜ao emitida pela chama nas v ´arias gamas do comprimento de onda, λ[nm]. A aquisic¸ ˜ao dos dados do espectro fica a cargo dosoftware Spectra Suite.
A fibra ´otica encontra-se montada num sistema de eixos com tr ˆes graus de liberdade, como mostra a figura 3.13 (b), para permitir que o sistema seja, totalmente, ajust ´avel mediante as necessidades requeridas. Na frente da fibra ´otica est ´a instalado o diafragma que foi ajustado para apenas deixar passar um feixe de luz de 0.5 mm de espessura, e encontra-se a uma dist ˆancia de 30 mm do centro da chama. A 3.13 (c) ilustra a montagem de todo o equipamento.
(a) (b) (c)
Figura 3.13: Montagem Espectroscopia; (a) Espectr ´ometro; (b) Sistema de eixos; (c) Imagem real da montagem.
Para calibrac¸ ˜ao do sistema, foi utilizado um alvo com papel milim ´etrico colocado no centro do furo de cada uma das chapas circulares presentes na figura 3.2, uma caneta laser e uma fibra ´otica. A luz do laser propaga-se atrav ´es da fibra ´otica e, com isso, ´e poss´ıvel fazer o alinhamento dos tr ˆes graus de liberdade. Verificou-se que n ˜ao existia projec¸ ˜ao divergente do feixe de luz emitido pela caneta laser no papel milim ´etrico, permitindo assim, aferir que ´areas de observac¸ ˜ao da chama n ˜ao possuem diverg ˆencia relativamente `a dimens ˜ao da fenda. Assim, definiu-se a posic¸ ˜ao zero de leitura junto ao centro do furo de cada uma das chapas circulares, e as restantes quatro posic¸ ˜oes de leitura com incrementos de 1 mm entre a posic¸ ˜ao atual e a posic¸ ˜ao seguinte, como mostra a figura 3.14, para as raz ˜oes de equival ˆencia, φ, em estudo.
Figura 3.14: Esquem ´atico da posic¸ ˜ao de leitura dos dados da espectroscopia para zona de ancoragem de chama (Posic¸ ˜ao 0 a 4) e para as curvas de calibrac¸ ˜ao (c´ırculo verde).
Para cada teste, retirou-se 100 espectros com chama, para efeitos de estat´ıstica, e outros 100 que registam a luz no ambiente envolvente, denominadosbackground. O tempo de integrac¸ ˜ao utilizado para cada espectro foi de 5 segundos para garantir que os picos dos radicais, figura 3.11, est ˜ao bem defini-dos, quer para misturas ricas como para misturas pobres. Os espectros obtidos foram, posteriormente, processados pelo c ´odigo j ´a existente emMATLABR. Depois de subtra´ıdo obackground, os picos de OH∗,CH∗eC2∗, foram extra´ıdos bem como os respetivos r ´acios de OHCH∗∗, CHC∗∗
2 e OHC2∗∗ obtidos para as raz ˜oes de equival ˆencia de 0.9 a 1.4 com incrementos de 0.05.
A primeira an ´alise consistiu em retirar as v ´arias curvas de calibrac¸ ˜ao relacionando cada raz ˜ao de equival ˆencia com o correspondente r ´acio quimiluminescente. A aquisic¸ ˜ao de dados foi feita numa zona em que os efeitos de diluic¸ ˜ao local junto `a base s ˜ao depreci ´aveis, cerca de 50 % da altura da chama, ilustrado pelo c´ırculo a verde representado na figura 3.14. Nestas condic¸ ˜oes, o diafragma foi regulado para a sua posic¸ ˜ao de abertura m ´axima, deixando assim, que um feixe de luz proveniente da chama com 3 mm de espessura o atravesse.
De acordo com Kojima et al. [20], a curva de calibrac¸ ˜ao que mostra mais sensibilidade a raz ˜oes de equival ˆencia pobres ´e a de OHCH∗∗, visto que OH∗ eCH∗ s ˜ao os radicais que mais emitem nestas condic¸ ˜oes. Por outro lado, a curva que apresenta maior variac¸ ˜ao em regimes ricos ´e a de OHC2∗∗, dado que o radical de C2∗ ganha contornos mais expressivos. Tendo em conta estes fatores, optou-se por utilizar 2 curvas de calibrac¸ ˜ao. Paraφ≤1 usou-se a curva de OHCH∗∗, e para os restantes casos a de
C2∗
OH∗, como evidencia a figura 3.15 (a) e (b), respetivamente.
Estas curvas s ˜ao criadas atrav ´es dos dados de quimiluminesc ˆencia obtidos a cerca de 50 % da altura de chama. A esta cota estaremos salvaguardados que a intensidade dos radicais de chama medidos correspondem aoφde mistura injetado no queimador. Assim, para os casos ou locais onde a raz ˜ao de equival ˆencia ´e desconhecida, pode ser estimada atrav ´es destas curvas.
(a) (b)
Figura 3.15: Curvas de calibrac¸ ˜ao de quimiluminesc ˆencia; (a)OHCH∗∗; (b)OHC∗2∗.