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Métodos Experimentais de Energia e Ambiente Introdução às técnicas de análise de escoamentos com combustão Ronne Toledo Pedro Grossmann “Instrumentation.

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2 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

15  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.

16 Modelação da Turbulência n 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. n Com o desenvolvimento tecnológico a experimentação irá continuar a ter um papel essencial, podendo ser comparada com o DNS/LES.

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

18 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

19  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 Elementos Importantes para a Modelação

20 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

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


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