Simulação de Escoamentos Reativos

Apresentação em tema: "Simulação de Escoamentos Reativos"— Transcrição da apresentação:

1 Simulação de Escoamentos Reativos
AC 290 Cristiane Martins

2 Modelagem cinética química é importante nos projetos de queimadores industriais, turbinas a gás, foguetes. Seja para prever desempenho seja para emissões.

3 Revendo conceitos...4 ferramentas
Os balanços materiais servem para calcular rapidamente a produção máxima de produtos. Inversamente para ser uma obtida uma dada produção permitiriam avaliar os consumos de matérias primas. A relação de equilíbrio permite fixar o máximo absoluto da conversão possível e, ao mesmo tempo julgar antecipadamente o alcance prático da reação Os dados de velocidade permitem calcular o tempo necessário para se conseguir uma conversão prefixada (menor que a do equilíbrio) ou a conversão a esperar num tempo prefixado. Finalmente os balanços de energia nos permitem calcular a extensão do aquecimento ou resfriamento a ser previsto para a operação adequada do reator.

4 Balanço Material - exemplo
CH4 + 2 (O N2)  CO2 + 2H2O N2 1 mol de CH4 produz no máximo 1 mol de CO2 fração molar CO2 = ??? 16 g g

5 Termodinâmica – máxima conversão
A termodinâmica através do equilíbrio químico nos diz que a máxima conversão possível: CH4  0,9 CO2 fração molar de CO2 igual a

6 Cinética: reator bem misturado
Atente para concentração de CO2 em tempo menor do que 0.008s

7 Combustão Fenômeno de combustão envolve interação entre Processos Químicos e Físicos. • Processos Químicos – auto sustentado pelas reações químicas entre combustível e oxidante. Processos físicos: Transporte de massa, momento e energia.

8 Chamas Chamas não premisturadas x Chamas premisturadas

9 Combustão : termo de geração (química) x termo de transferência (físico)
HT1, HT2, HT3, HTcrit são as retas referentes a transferência de calor Curva G refere-se ao termo de geração de calor.

10 Podemos compreender melhor uma chama fisicamente construindo um modelo idealizado de um tubo com fluxo uniforme unidimensional de combustível com gases queimados e não queimados, separados por uma fina região transicional na qual ocorre a queima. A região onde a queima ocorre é denominada chama ou frente de chama. No equilíbrio, difusão térmica através da chama é balanceada pelo calor fornecido pela queima.

11 Chamas - Diferentes tipos de chama de bico de Bunsen burner dependendo da quantidade de oxigênio. A esquerda uma mistura rica com nenhuma premistura produz uma chama amarela com fuligem e a direita uma chama pobre com quantidade mais que suficiente de oxigênio, nenhuma fuligem é produzida pela banda emissão radicalar.

12 Flame Spectro Spectrum of the blue (premixed, ie. complete combustion) flame from a butane torch showing molecular radical band emission and Swan bands. Note that virtually all the light produced is in the blue to green region of the spectrum below about 565 nanometers, accounting for the bluish color of sootless hydrocarbon flames.

13 Partially Premixed Flame
Sistemas práticos envolvem em geral chamas parcialmente premisturadas

14 Chemkin – Pacotes

15 WSR (zona primária) + PFR (próximas)

16 Aspectos da Modelagem de Combustão
Modelos de Combustão Modelo de Fase Dispersa Premix Parcial// premix Nonpremix Gota/dinâmica da partícula Reator Heterogeneo Devolatitização Evaporação Equações de Transporte Massa Momentum (turbulência) Energia Espécies Químicas Modelo de Transf Calor Radiativo Modelo de Poluentes

17 OPPDIF– configurações possíveis
Quando os fluxos são bem misturados, existirão duas chamas bem misturadas, uma em cada lado do plano de estagnação. Para configuração combustível de um lado e oxidante de outro, se estabelece uma chama difusiva.

18 OPPDIF O conceito de OPPDIF é simples. Fluxo de combustível e oxidante são direcionados um contra o outro criando um plano de estagnação em algum lugar entre estes dois fluxos. Em muitos casos moléculas de combustível difundem através do plano de estagnação e criam uma chama difusiva do lado do oxidante. A fim de simular chamas premisturadas, um par de chamas premisturadas são colocadas em cada lado dos fluxos.

19 OPPDIF (cont) O fluxo que deixa cada bocal está livre de divergência, ou seja, a componente radial da velocidade no bocal é igual a zero.

20 Edge flames x planar flames
Chamas Difusivas de Contrafluxo fornecem forma conveniente para estudo strained laminar flames. Pode se encontrar tanto experimentalmente quanto em simulações numéricas que, sob condições adequadas, uma chama com formato toroidal (esquerda) pode existir como alternativa para a conhecida chama difusiva planar (direita). Edge Flame Planar Flame

21 Chamas _ exemplo Para velocidade fixa de combustível (0,3 m/s) velocidade do ar foi aumentada, a esquerda, seta azul, além do limite de estabilidade da chama difusiva e então a velocidade do ar passa a ser reduzida (seta laranja). ‘’Switching’’ (‘chaveamento’) ocorre em ambos os casos, mas note a forte histerese.

22 Na Fig ao lado em que velocidade ocorre a Edge Flame?

23 Edge vs Diffusion Flame

24 OPPDIF (cont) Chamas de contrafluxo têm sido utilizadas em estudos da estrutura da chama e limites de extinção. Sua geometria simples facilita a modelagem analítica e parâmetros de mecânica de fluidos como taxa de estiramento que pode ser facilmente controlada.

25 Esquema de sistema com chama de contrafluxo

26 Contra fluxo – duas chamas premisturadas

27 Difusividades Difusividade molecular é o transporte de propriedades do fluido (massa, energia, momento) pelo movimento randômico das moléculas. São 3 mecanismos de difusividades devido a gradientes: Difusividade mássica, D gradiente em massa da espécie i, Difusividade térmica, gradiente em temperatura Difusividade tangencial momentum / viscosidade cinemática gradiente de velocidade Para gases simples todos têm valores similares a:

28 Número de Lewis Le = difusividade térmica / difusividade mássica

29 Curvatura de chama Em chamas curvadas, difusão não necessariamente alinhada com linhas de corrente. Chamas não são flat (são curvadas) maioria das chamas reais são curvadas velocidade de chama em chamas esféricas dependem do raio da chama (curvatura) topo da chamas de Bunsen

30 Influência do estiramento da chama
Definição de estiramento Dois casos básicos: estiramento positivo estiramento negativo (chama comprimida) difusividade térmica () concentrada para os reagentes, aumento de SL reduzida difusão mássica dos reagentes deficientes Le = 1 efeitos opostos se cancelam

31 Estiramento e estrutura
Estiramento da chama implica variação na estrutura da chama devido a não-uniformidade do fluxo. Note que, em geral, o formato da chama é largamente estirado na direção axial mostrando que a propagação axial é muito mais rápida do que a propagação radial. A competição entre K < 0 (compressividade) e K > 0 (expansão) é que determina o formato da chama. Fisicamente o estiramento varia de magnitude e mesmo de sinal ao longo da superfície da chama. Um observador se movendo ao longo da superfície da chama em direção ao maior raio irá sentir estiramento positivo (extensão) e compressão (estiramento negativo).

32 Estiramento e estrutura (cont)
Estrutura da chama afeta fortemente a velocidade da chama. Geometria afeta transporte de calor curvatura positiva dilui o transporte desacelerando a chama, convexa aos reagentes curvatura negativa concentra transporte acelerando a chama, concova aos reagentes.

33 Le  1 e estiramento da chama
Para caso de estiramento negativo, se condução térmica supera difusão mássica então velocidade da chama aumenta ( vs D) - SL  para Le > 1 - SL  para Le < 1 Múltiplos números de Lewis cada reagente tem diferentes Di na mistura chama depende muito mais dos reagentes que estão deficientes, mais altos gradientes combustível pobre, oxigênio rico

34 Le  1 e estiramento negativo
Considere Chama de Bunsen -topo da chama = estiramento negativo Combustível mais leve do que ar (p.ex. CH4) MWfuel < MWmix para  < 1, Ledeficiente = mix / Dfuel cai quando   SL  para misturas muito pobres topo fraco (aberto) para chamas suficientemente pobres topo fechado (realçado) para chamas ricas

35 Le  1 e estiramento negativo
Considere Chama de Bunsen -topo da chama = estiramento negativo Combustível mais pesado do que ar (p.ex. C3H8) MWfuel > MWmix para  < 1, Ledeficiente = mix /Dfuel sobe quando   SL  para misturas muito pobres topo fraco (aberto) para chamas suficientemente ricas topo fechado (realçado) para chamas pobres

36 Abertura de topo Propano mais rico = mais sensível a estiramento

37 Frente de chama A frente de chama se move com velocidade de frente:
Vf = v – Sl onde v é a velocidade do fluxo e Sl a velocidade laminar de queima

38 Taxa de estiramento

39 Razão de equivalência e fração de mistura
razão de equivalência = (F/A)/(F/A)estequiométrico onde f é fração de mistura  é razão de equivalência

40 Topo da chama de Bunsen Propano (C3H8) Metano (CH4)
Propano (+ pesado que o ar) Metano ( + leve do que o ar) Propano (C3H8) Metano (CH4) ref. Mizomoto, Asaka, Ikai and Law, Proc. Combustion Inst. 20, 1933, (1984)

41 Topo - abertura Chamas de propano com aumento da ‘’riqueza’’

42 Deve se notar que o formato da chama é largamente estirado na direção axial mostrando que a propagação axial é muito mais rápida do que a propagação radial. Para maiores velocidades, a camada limite afina, aumentando o cisalhamento para dada posição a frente. A chama move-se a frente para reduzir a taxa de estiramento até que a processo de combustão possa ocorrer.

43 Rápida difusão de H2 empobrece a mistura reagente tornando-a mais susceptível ao estiramento. Ao longo do segmento da curvatura positiva, combustível é difundido para zona de reação convexa, produzindo chama forte e adicional estiramento (positivo).

44 Plano de estagnação – onde ocorre?
Plano de estagnação, onde os dois jatos convergem e a velocidade é zero.

45 Pico de temperatura O pico de temperatura é encontrado no lado do oxidante em relação ao plano de estagnação (~ 0.1 cm do plano de estagnação). As moléculas de combustível devem difundir através do plano de estagnação para alcançar o oxidante.

46 Plano de estagnação e chama
A chama está na posição 0,9 enquanto o plano de estagnação 0,6, ou seja a chama se formou a 0,3 de distância do plano de estagnação.

47 Plano de estagnação e chama (cont.)

48 Radicais de ramificação -
Os picos de radicais de ramificação, O, OH e H estão do lado do oxidante

49 Uma chama de contrafluxo pode ser caracterizada em termos de taxa de estiramento (strain rate), o máximo gradiente de velocidade no lado da chama. Extinção acontece quando fluxo de ar e combustível são tais que gradiente da velocidade excede um valor crítico, denominado ‘extinction strain rate’.

50 OPPDIF – linhas de corrente
Entretanto como pode ser visto, as linhas de corrente não são perpendiculares a frente de chama: estas chamas são necessariamente estiradas devido ao fluxo estirado que necessita fluir para o lado. Ajuste da distância entre os bocais de saída permite que o strain rate seja controlado. Uma distância longa entre os bocais conduzirá a larga distância entre as frentes de chamas, tendo como consequência menor taxa de estiramento.

51 Strain Rate – taxa de estiramento
onde L = distância entre os bocais, 1 e 2, V1 e V2 as densidades e velocidades dos respectivos gases.

52 Fração de mistura - conceito
Chama difusão fuel/air Chama difusiva – enriquecida com oxigênio Sistema com múltiplas entradas de combustível 60% CH4 40% CO f = 1 21% O2 79% N2 f = 0 35% O2 65% N2 f = 0 60% CH4 40% CO f = 1 35% O2 65% N2 f = 0 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2 f = 1 21% O2 79% N2 f = 0 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2 f = 1

53 Fração de mistura - gráfico
fração de mistura pode ser entendida como o grau de mistura entre combustível e ar, sendo f = 0 no oxidante puro e f = 1 no combustível puro. Combustão irá ocorrer em uma fina camada na vizinhança de uma superfície onde a fração de mistura é igual a fração de mistura estequiométrica fst.

54 Use OPPDIF para determinar a fração mássica de espécies importantes (por examplo, YCH4, YO2, YN2, YH2O, YCO2, YH2, YCO, YNO, YOH, YHCO, YCH3) e a temperatura (T) para uma chama difusiva de metano-ar como função de f (0<f<1). Atente que o pós processador irá calcular fração mássica ao invés de fração molar se vc variar UNITS OF MEASURE - Composition.) Utilize a temperatura inicial de 300 K para ambos os jatos (combustível e oxidante). Jatos estão separados em 5 cm.Calcule os resultados para no mínimo 3 velocidades iguais (que produze significativos diferentes taxas de estiramento). Faixa de velocidades entre cm/s em cada jato. Rode OPPDIF inicialmente com número de grids (digamos 50). Depois aumente o número de grids e compare as soluções.

55 Comandos – Definição da chama
AFUE AOXI FUEL OXID PRES PROD TEMP TFUE TMAX TOXI USTG VFUE VOXI

56 Comandos – Definição do grid
CURV GRAD GRID NADP NPTS NTOT WMIX XCEN XEND

57 Comandos – opções do método
ATIM ATOL CDIF DFAC DTMN DTMX GFAC IRET ISTP KOUT NDPR RTIM RTOL SFLR SPOS TIM TIME TJAC TRAN UFAC WDIF

58 Comandos – tipo do problema
AXIS END ENRG LINE NOFT PLAN PLAT QFUN TGIV TINF

59 Comandos – opções de transporte
MIX MULT TDIF

60 Comandos – soluções de arquivos de inicialização – arquivos restart
DIST JJRG NSOL PCAD RGTC RSTR TSTR USET USEV XMLI

61 Arquivo de entrada - exemplo
GRID 0. GRID 0.05 GRID 0.1 GRID 0.25 GRID 0.5 GRID 0.75 GRID 0.9 GRID 1.0 GRID 1.1 GRID 1.25 GRID 1.5 GRID 1.75 GRID 1.9 GRID 1.95 GRID 2.0 PCAD 0.7 RGTC 1.0 ENRG PLAT AFUE 0 AOXI 0 VFUE 100 VOXI 100 TFUE 300 TOXI 300 TMAX 2400 FUEL H2 1.0 OXID N2 0.79 OXID O2 0.21 PROD H2O 0.347 PROD N KOUT H2 O2 H2O RTOL 1.E-3 ATOL 1.E-6 ATIM 1.E-6 RTIM 1.E-3 ASEN HSEN END XEND 2.0 XCEN 1.0 WMIX 1.5 PRES 1.0 IRET 20 UFAC 2. SFLR -1.E-4 PRNT 11 TIME E-6 TIM E-6 GRAD 0.5 CURV 0.5