Métodos Experimentais de Energia e Ambiente

Apresentação em tema: "Métodos Experimentais de Energia e Ambiente"— Transcrição da apresentação:

1 Métodos Experimentais de Energia e Ambiente
Introdução às técnicas de análise de escoamentos com combustão Ronne Toledo Pedro Grossmann “Instrumentation for flows with combustion“, ed A.M.K.P Taylor, Academic Press

2 Combustão ? Uma das mais antigas tecnologias humanas Energia eléctrica
Mobilidade humana (Carro, Trem, Avião) Alimentação (Preparo e Fabrico) Queimadas e incêndios

3 Ferramentas Computacionais
Computação Digital. Os laboratórios tornaram-se obsoletos? Entendimento dos processos da combustão Cinética química Comportamento da chama laminar Propagação e transporte dos escalares CFD – Transferência de calor Com toda essa ferramenta computacional há necessidade da experimentação?

4 Experimentação Imperfeito conhecimento sobre os processos
Turbulência Cinética química Tanto da fase gasosa como condensada Dificuldade de se fazer medidas em ambientes hostis. Dificuldade do uso de modelos em escala

5 Revisão Bibliográfica
Desenvolvimento matemático – Willians (1985) Fase cinética dos gases – Lewis and von Elbe (1987) Escoamento computacional turbulento – Bradshaw (1978) CARS/LIV - Eckbreth (1988) LDV – Durst et al (1981)

6 Técnicas Experimentais
LDV – Laser Doppler Velocimetry PIV – Particle Image Velocimetry LSV – Laser Speckle Velocimetry PTV – Particle Tracking Velocimetry

7 Proposta Experimental
Fenómenos complexos Transporte dos fenómenos Cada fenómeno por vez Base de dados para validar os modelos

8 Desafios Necessidade de maior quantidade de experimento
Dificuldade de acesso óptico Técnicas de imagens Bidimensionais e Tomografia Sintonizar a realidade prática com as condições experimentais (ideais)

9 Cinética Química 30 ou mais espécies e mais de 100 reacções
Diferentes condições: ignição, temperatura da chama, pressão, etc. Factor de variância nas taxas das reacções de 3 a 30 Condições ambientais diferentes das laboratoriais

10 Validar Modelos de Combustão
Prioridades Complexidade dos combustíveis H2, CO, CH2O, CH4, CH3OH Velocidade de chama pré-misturados metano/ar Turbulência

11 Chama Laminar Cálculo Unidimensional
Disponibilidade de soluções computacionais Medidas dos perfis Técnicas não intrusivas de Resolução espacial (Laser)

12 Chama Laminar Análises semi-empírica para redução do modelo(Mecanismos de 1 ou 2 passos) Combustão Methano/ar. Simplificação num mecanismo de 4 passos.

13 Combustão Turbulenta:
O problema da combustão turbulenta é melhor apreciado considerando a equação de balanço às espécies para valores médios:

14 1º: divergência do fluxo das espécies devido à convecção; para este termo não é necessário qualquer modelação. 2º: divergência do fluxo das espécies devido à turbulência; este termo é geralmente modelado como um processo de difusão. 3º: divergência do fluxo das espécies associado a processos de transporte molecular; termo desprezado para elevados Reynolds. 4º:taxa de reacção média para as espécies; termo importante que só em sistemas específicos pode ser modelado linearmente.

15 Modelação da Turbulência
Métodos como o DNS (direct numerical simulation) e o LES (large-eddy simulation) serão uma fonte importante para a compreensão da física da turbulência e para fechar métodos de cálculo baseados na estatística. Com o desenvolvimento tecnológico a experimentação irá continuar a ter um papel essencial, podendo ser comparada com o DNS/LES.

16 Modelação da Turbulência
O modelo k- tem sido o mais utilizado. Aplicação a geometrias simples tem tido bastante sucesso, especialmente em sistemas sem pré-mistura A sua simplicidade e utilidade tornam o seu desenvolvimento útil. Medições importantes a efectuar: velocidades médias, energia cinética de turbulência e campos escalares.

17 Elementos Importantes para a Modelação
Medições espaciais e estrutura da chama Visualização do escoamento é muito importante para detectar imperfeições no escoamento para visualizar a estrutura da chama Resolução espacial e temporal Avançados diagnósticos Laser Há que ter em conta as dimensões das sondas e da frente de reacção

18 Elementos Importantes para a Modelação
Modelos para a taxa de reacção Com e sem pré-mistura Apresentação de dados Surgem muitos problemas (dimensão dos dados) no arquivamento dos valores medidos na apresentação dos valores medidos

19 Combustão Heterogénea
Economicamente é mais atractiva que a combustão de gases Cientificamente é no entanto menos atractiva, pois surgem novos processos químicos e físicos Em sprays temos dois regimes: Spray diluído: Colisões são raras Interacção partícula-partícula não afecta directamente as equações do calor, massa e momento Spray denso: Colisões de partículas são frequentes e levam à coalescência e fragmentação destas

20 Medições em sistemas prácticos
Medições tem que ser diagnósticas, de modo a ajudarem a desenvolver os sistemas Qualitativamente Quantitativamente A maior parte das medições (caso do LDV) são feitas a sistemas simplificados Informação destes ajuda a melhorar as técnicas de medição e a caracterizar os processos de combustão Dificuldade na aplicação a sistemas reais