Cristiane A. Martins. ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica. 28/03/2007 Cristiane Martins, ITA

Cristiane A. Martins

ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica

Chamas

O propósito desta apresentação é apresentar

considerações sobre o estudo de chamas

sem pré-mistura com aspectos pertinentes a

Apresentação – Chamas sem pré-mistura

Introdução – combustão / chamas

Aspectos da modelagem de combustão

Configurações experimentais usuais

 O que é possível obter experimentalmente?

Introdução - Combustão

HT1, HT2, HT3, HTcrit são as

retas referentes a transferência de calor

Curva G refere-se ao termo de

geração de calor.

Introdução - Combustão –

Fenômeno de combustão envolve a interação de

Chamas

pré-Introdução – Chama sem pré-mistura

A região onde a queima ocorre é denominada chama ou frente de chama.

Localização da posição da chama: em chama sem pré-mistura sua localização depende da fração de mistura estequiométrica, ditada

Introdução – Chama sem pré-mistura

Color: Temperature Distribution

Chamas - Prática

envolvem, em geral, chamas parcialmente pré-misturadas

Chamas sem pré-mistura - análise

Historicamente –

A análise de chamas sem pré-mistura inicia-se com os de trabalhos Burke e

Schumann (1928)

Chamas sem pré-mistura

Chama laminar (efeito de flutuação dominante) / transição / turbulenta (efeito convectivo domina)

Modelagem??

Habilidade de generalizar, extrair o que é comum em

diversos problemas, e construir algoritmos efetivos para dar suporte na caracterização, análise e predição de problemas de engenharia.

Aspectos da Modelagem de Combustão

Processos Químicos –

auto sustentado pelas reações químicas entre combustível e oxidante.

Processos físicos:

Transporte de massa, momento e energia.

Aspectos da Modelagem de Combustão

Processos químicos - três grupos:

1. Processos lentos - formação de NOx, PAH (polycyclic

aromatic hydrocarbons), dioxinas e fuligem.

2. Processos em escalas tempo intermediária - reações de

iniciação e formação de CO₂.

3. Processos rápidos - recombinação de radicais e cadeias

Aspectos da Modelagem de Combustão

Por que a turbulência complica a análise da

combustão?

Uma das razões é que o processo usual de manuseio de valores médios para flutuações turbulentas é ineficiente no manuseio das

taxas de formação das espécies químicas, as quais são proporcionais a uma função

Aspectos da Modelagem de Combustão

Gota/dinâmica da partícula Reator Heterogeneo Devolatitização Evaporação Equações de Transporte Massa Momentum (turbulência) Energia Espécies Químicas Modelos de Combustão Premix Parcial// premix Nonpremix

Em um queimador típico, turbulência, cinética

química, radiação térmica e formação de poluentes interagem juntos no espaço de geometrias e condições de contorno

complexas.

Um queimador utilizado para pesquisa tende

a ter duas, no máximo três das complicações citadas acima.

Configurações usuais de estudo

chamas sem pré-mistura

Contrafuxo (chamas laminares)

Jato simples

Jato com chamas piloto

http://www.andreaciani.net/research_res.htm Edge Flame

Planar Flame

Configurações usuais – Contrafluxo

Basedo na estabilização por jatos contrários da mistura combustível/oxidante ou simplesmente combustível versus oxidante. Não existe interação com o queimador, portanto, estas chamas não

sofrem problema de perda de calor para o queimador.

Contra fluxo – possibilidades de estudo

Estrutura da chama e limites de extinção
Geometria simples facilita modelagem

analítica

Fácil controle de parâmetros como taxa de

Configurações usuais – Jato simples

Jato simples – possibilidades de estudo

Estudo de transição para regime turbulento
Efeitos de difusão diferencial na estrutura da

chama

Formação de fuligem e radiação térmica

Configurações usuais – Jato com chamas pilotos

“Piloted jet flame”

pequenas chamas piloto para estabilizar o jato (altas velocidades). Ao lado, doze pequenas

chamas (mistura de C2H2/H2/ar) são

utilizadas no estudo de chamas turbulentas.

Jato piloto – possibilidades de estudo

Condições de contorno simples (escoamento parabólico)
Efeitos de interação entre turbulência-química sem

fuligem e radiação térmica

Extinção local e re-ignição

Sydney University

Sandia em Livermore,

General Electric - Schenectady, NY Delft University – Delft /Holanda

Jato piloto –

Montagem realizada ( Martins, 2003) para estudo de

chamas turbulentas, tão próxima quanto possível da de Delft

Configurações usuais – Bluff Body

Quando um ‘corpo

rombudo’ bloqueia uma área relativamente grande na saída do queimador, a chama é ancorada pelos produtos quentes

capturados no interior da esteira. Propriedades da esteira (tamanho e

recirculação) influenciam nas propriedades da chama

Estudo interação turbulência- química

Similaridade maior com combustores práticos

Em resumo...

Queimador bem projetado para pesquisa

significa aquele capaz de não somente ancorar uma chama que satisfaça os objetivos do experimento, mas

necessariamente possuir condições iniciais e de contorno bem definidas tendo sido bem caracterizado para facilitar modelagem, além de possuir fácil acesso ótico.

O que conseguimos medir ?

Temperatura (média e flutuação)
Velocidade (média e flutuação)
Espécies Majoritárias

Espécies Minoritárias
Fuligem

Existem inúmeros métodos experimentais

utilizados na caracterização de escoamentos reativos / não – reativos.

Breve relato (sem detalhes) dos métodos

Amilcar Porto Pimenta (ITA)

Cristiane Aparecida Martins (ITA) Leila Ribeiro dos Santos (IEAv)

Luiz Gilberto Barreta (IEAv)

Maria Esther Sbampato (IEAv) Marco Aurélio Ferreira (INPE) Pedro Teixeira Lacava (ITA)

Medidas em chamas -

temperatura

Temperatura

?? – termopar de fio fino

solda microscópio 200x Termopar de Fio Fino Pt/PtRh13%

Chamas -

temperatura

H = 100 mm condição - chama rica

0 300 600 900 1200 1500 1800 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 Posição Radial (mm) T e m p e ra tu ra ( K ) 9500 7300 5400

Medidas em escoamentos –

velocidade

sonda - fio aquecido de 5µµµµm

U$20.000

anemômetro de fio quente – medidas a frio

Laser Doppler Anemometer

U$280.000

LDA – medidas a frio e a quente

Medidas em escoamentos –

velocidade

Medidas em Chamas –

espécies majoritárias

Medidas em chamas -

espécies majoritárias

Condicionamento de amostras (R$30.000)

Analisadores de gases (US$ 12.000 cada)

Sistema de aquisição de dados (R$ 60.000)

CO₂, CO, O₂, NO_x, UHC

Medidas em chamas -

espécies minoritárias

PLIF – Planar Laser Induced Fluoresce

Permite obtenção de perfil de radicais como OH, NO, CH e C2

US$ 200.000

Radicais em chamas - importância

Radicais

Radicais emem chamas

chamas????

Chamas turbulentas - flutuações de concentração fornecem informações sobre mistura turbulenta de espécies.

Muitos modelos consideram que reações químicas são muito mais rápidas do que a mistura turbulenta - somente é necessário descrever a mistura de uma espécie não reativa, ou escalar conservado. Este escalar usualmente é a fração de mistura, a fração de mistura normalizada de espécies não reativas Modelos de escalar conservado, não podem descrever efeitos de taxas finitas de reação como não-equilíbrio de radicais ou extinção de chamas, ou mesmo química lenta como NO

Medidas da concentração de radicais são necessárias para revelar efeitos não previstos

pelo modelo de escalar conservado.

Um radical particularmente apropriado para tal propósito é o OH. Possui papel relevante na quebra

de moléculas e uma das espécies mantenedoras da combustão. Presente próximo a zona de reação , pode ser utilizado como indicativo da taxa de deformação da zona de reação devido a influência da turbulência. Também seu tempo de vida é curto suficiente para ‘’seguir’’ a extinção local.

Medidas em chamas –

Fuligem

Baseia-se na interação da radiação

do laser com as partículas de fuligem.

A absorção da radiação do laser

para densidades de potência

(fluências) iguais ou maiores que 1 x 107_W/cm2 _{provoca um aumento}

da temperatura da fuligem até cerca de 4000K.

As partículas sólidas emitem,

nestas temperaturas, uma radiação (incandescência) que se aproxima da emissão de um corpo negro.

A intensidade da radiação emitida,

de acordo com modelos teóricos,

0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 s o o t s ig n a l [m V ]

acoustic pressure [mbar]

position 3 cm 6 cm 10 cm

Para obtenção de dados confiáveis há

necessidade de se conhecer a aplicação da técnica em detalhes, incluindo suas

limitações, bem como a prévia definição das também limitações de seu escoamento.

A análise completa de um escoamento que

Técnicas experimentais - conclusão

Resolução espacial dos dados obtidos deve ser sempre considerada. Comprimento de escalas de Kolmogorov em algumas chamas podem estar entre 30 a 150 microns, portanto, utilizando estimativas de comprimento de escala a faixa de erro da resolução espacial variará, por exemplo, entre de 3 a 16% dependendo da localização axial na chama e da velocidade do jato.

Onde obter dados experimentais para uso

TNF (Turbulent Nonpremixed Flames)

International Workshop on Measurement and

Computation of Turbulent Nonpremixed Flames

This workshop is an open and ongoing international collaboration among

experimental and computational researchers in turbulent nonpremixed and partially premixed combustion

Estudo de chamas turbulentas sem pré-mistura

 Estabelecer uma biblioteca bem documentada de

chamas apropriadas para validação de modelos tendo em vista avanço na compreensão de combustão

turbulenta.

 Fornecer dados para comparações entre laboratórios de resultados simulados e medidos.

 Identificar prioridades para pesquisa experimental e computacional.

Biblioteca TNF

http://www.ca.sandia.gov/TNF/abstract.html

Inclui inúmeros dados provenientes das diferentes

configurações de fluxo apresentadas.

Tendo como partida chamas tipo jato de hidrogênio

seguida de chamas de hidrocarbonetos (metano, gás natural e metanol), as quais incluem desafios como extinção local e re-ignição, zonas de reação em chamas não ancoradas, fluxo de recirculação e swirl.

Ênfase atual é interação turbulência-química em chamas gasosas.

Análise pormenorizada de escoamentos turbulentos

reativos é exigida para a solução de quatro questões principais:

 - turbulência gerada pela chama;

 - transporte turbulento e a representação de fluxos turbulentos de

momento e escalares;

 - importância relativa de processos de mistura e de cinética

química no controle das taxas médias de reação química;

Conclusão

O sucesso na modelagem química de fluxos reativos promoverá melhor

compreensão dos processos complexos de mistura turbulenta em escoamentos reativos fornecendo dados fundamentais para projeto de dispositivos práticos.

Obrigada!