Simulação de Escoamentos Reativos AC 290 Cristiane Martins

Não existe nenhuma possibilidade de sucesso na simulação de quaisquer fenômenos caso não seja realizada uma avaliação anterior coerente.

O que é a combustão?? ‘’Oxidação’’ auto-sutentável de um combustível combustível – tipicamente hidrocarboneto oxidante - tipicamente ar

Visão Global Revisão Cinética química termodinâmica química – equilíbrio, cálculo temperatura, pressão, composição, propriedades de transporte teoria cinética: taxas de colisão Cinética química teoria da cinética estendida para taxas de reações químicas mecanismo de reações (série de reações) Modelagem de acoplamento térmico/químico reatores químicos (sem mecânica de fluidos), por exemplo reatores bem misturados (taxa infinita de mistura)

A composição dos produtos de exaustão provenientes das reações de combustão dependem de inúmeros fatores, incluindo tipo de oxidante, composição, temperatura dos gases e razão de equivalência. Processo reacional – equilíbrio adiabático

Objetivo - fluência Modelagem de taxas de reações químicas Modelos de reatores simplificados baseados na análise química e térmica acoplada Equações de conservação e transporte para fluxos reativos Estrutura e limite de propagação de onda de combustão premisturada laminar Estrutura e mecanismos controladores em chama difusiva laminar Escala temporal e espacial em chamas turbulentas.

Exemplos de configurações Chama laminar - vela

Exemplo de configurações - Explosão

Chama turbulenta tipo jato de GNV

Combustão confinada

Queimador industrial - álcool

Queimador Industrial - Queimador para caldeira utilizando gás de alto forno

Fácil simular combustão? Fenômeno de combustão envolve a interação de fenômenos Físicos e Químicos.

Vejamos o exemplo de Flare

Quem é o fenômeno majoritário? Reynolds crescente

Programa de cinética Chemkin

CHEMKIN - Estrutura http://www.ca.sandia.gov/chemkin/

CHEMKIN 3.7 - Equil

Cálculos de equilíbrio no Chemkin Chemkin equilibrium é fácil de se utilizar mas não é tão poderoso quanto outros programas de equilíbrio como NASA-LEWIS e GASEQ. Estes últimos pesquisam sua base de dados e determinam quais espécies serão consideradas no cálculo de equilíbrio. O Chemkin exige que o usuário entre com todas as espécies a serem consideradas. Por exemplo na combustão CH4/ar, NO e NO2 não serão considerados a menos que sejam introduzidas no arquivo de entrada. CO muito menos será considerado se não incluído.

Arquivo chem.inp ELEMENTS H O N END SPECIES H2 H O2 O OH HO2 H2O N2 H2O2 END

REAC H2 2 REAC O2 1 REAC N2 3.76 REAC – Especifica os reagentes e sua fração molar ou mássica. HP TEMP 300 TEMP – Entrada obrigatória, Temp de entrada (K) PRES 1 PRES - Pressão de partida em atm CNTN CNTN – Diz ao programa para procurar um problema adicional após comando END. END REAC N2 3.76 TEMP 400 TEST 2000 TEST – Estime uma temperatura de equilíbrio em K PRES 1 CNTN TEMP 500 TEST 2000

Exemplo - Calcule a temperatura adiabática de chama e composição de equilíbrio do CO com ar nas razões de equivalências de 0,5, 1 , 1,2. Desconsidere NO. Condições de entrada – 300K, 1 atm. Utilize o comando CNTN para salvar no mesmo arquivo todas as razões de equivalências. 2. Repita o problema 1 considerando formação de NOx. 3. Repita o problema 2, mas considere que a entrada contém 10% de H2. 4. Compare com resultados obtidos no GASEQ e TEQWORKS.

Chemkin - Equil Por que utilizar a subrotina de Equil do Chemkin se você tem acesso a outros programas de equilíbrio mais completos?

CHEMKIN -

Existem muitos tipos diferentes de problemas que podem ser resolvidos utilizando subrotinas Chemkin. Diferentes programas coordenam subrotinas e controlam os arquivos de entrada/saída.

Equilíbrio considera que a reação teve tempo suficiente para ocorrer. Cinética considera taxas de reações químicas.

Cinética Química – Conceitos Básicos Experimentos envolvendo reações tem como objetivo descrever a taxa de reação para a qual os reagentes são transformados em produtos. O termo taxa é muitas vezes utilizado para descrever variações de determinada quantidade no tempo. (taxa de inflação, variação de distância no tempo) A taxa de reação consequentemente é a variação da concentração de um dos reagentes (x) no tempo (t).

Cinética – taxa de reação Todas as reações químicas ocorrem em uma taxa finita (lenta ou rápida) dependendo de parâmetros experimentais tais como composição, temperatura e pressão. A taxa de uma reação é a medida quantitativa do número de moles de produto produzido (ou reagente consumido) por unidade de tempo por unidade de volume. Taxa = [ em moles de espécies] / [t * volume].

Quando uma reação ocorre? Somente uma pequena fração de moléculas reagentes convertem reagentes em produto. Depende: Colisão adequada Energia que as moléculas possuem ao colidir

Reação ocorre se: 1. colisão favorável ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g) 1. colisão favorável

Reação ocorre 2. energia suficiente Nem todas as moléculas possuem mesma energia cinética. Isto é importante porque a energia cinética que a molécula carrega quando colide é a principal fonte de energia para se iniciar a reação mesmo sistema, moléculas com energia diferente.

Reação ocorre ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol A energia livre padrão da reação acima nos diz que esta reação é favorável. Isto é suficiente para que a reação ocorra?? Antes que qualquer reação ocorra é necessário que a energia livre do sistema supere a energia de ativação para a reação. Ea mede a variação no potencial de energia de um par de moléculas que é exigido para se iniciar o processo de conversão de um par de moléculas reagentes em um par de moléculas produto.

ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol Reação ocorre somente quando: ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol Moléculas de NO e ClNO2 que colidirem na orientação correta, com energia suficiente para superar a barreira da energia de ativação, podem reagir e formar NO2 e ClNO. Quando a temperatura do sistema aumenta, o número de moléculas que carregam consigo energia suficiente para reagir quando colidirem também aumenta.

taxa de reação x temperatura como explicar a relação entre a taxa de reação e a temperatura? A saída é assumir que a constante da taxa depende da temperatura para a qual a reação ocorre. Em 1889, Svante Arrhenius demonstrou que a relação entre temperatura e a constante da taxa para uma reação obedece a seguinte equação: k é a constante da taxa para a reação A é fator de proporcionalidade que varia com cada reação Ea é a energia de ativação para a reação R é a constante do gás e T a temperatura

Constante da taxa? Um resultado interessante é obtido quando se determinou taxas de reações instantâneas para vários pontos ao longo de uma curva. A taxa de reação para cada ponto na curva é diretamente proporcional a concentração do reagente em determinado momento no tempo. Taxa = k(reagente) Visto se tratar de uma lei experimental que descreve a taxa de reação, é conhecida como lei da taxa. A constante de proporcionalidade, K, é conhecida como constante da taxa.

Modelagem matemática Modelagem matemática – 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. Modelos matemáticos conduzem a ‘’experimentos virtuais’’, os quais no mundo real poderiam ser muito caros, perigosos ou mesmo impossíveis.

Simulação numérica

Importante na modelagem – escalas de tempo PASSO 1- Definição da escala de tempo – Antes de iniciar a simulação do seu escoamento você deverá ter noção ou definir quem é o fenômeno majoritário. tempo mecânico (mistura) x tempo químico

Como saber? As vezes temos diferentes condições de escoamento em um único processo. Zona 2: Zona de mistura não – reativa & Região de combustível não-queimado Zone 1: Zona de recirculação plana & estabilização ppor vórtices Zona 3: ‘’Rabo’’ aximétrico

Mistura x reação química Tem que se definir quem ‘manda’ taxa de reação ou taxa de mistura?

Chemkin representa ligação de análise matemática, métodos numéricos e desenvolvimento de software.

Heat and mass transfer

Sites – Mecanismos e Manual http://www-cms.llnl.gov/combustion/combustion2.html http://www.osc.edu/PET/CCM/skeleton/software/chemkin/chemkin.html