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

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

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?

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

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)

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

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

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)

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

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

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

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

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

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.

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.

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.

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

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

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

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