Simulação numérica do escoamento reactivo numa câmara de combustão

Abstract

O estudo da combustão turbulenta gasosa numa câmara com duas alimentações separadas de oxidante e combustível é efetuado neste trabalho com recurso a métodos numéricos. A descrição do escoamento recorre a equações diferenciais de transporte baseadas na dinâmica de fluidos, em que os fluxos difusivos são expressos em termos dos gradientes das grandezas que originam esses fluxos. As equações de transporte são representadas em coordenadas de espaço curvilíneas não ortogonais e utilizam as componentes cartesianas da velocidade. As taxas de criação e destruição de espécies químicas são determinadas por meio de expressões com forma análoga `a de Arrhenius. Os modelos utilizados na descrição dos fenómenos incluem um mecanismo de reação química detalhada, o modelo de turbulência k − ε clássico e a sua versão RNG e um modelo de radiação de meio opticamente fino. Os fluxos nas paredes são determinados com base nas denominadas funções de parede, que permitem ultrapassar a não validade do modelo de turbulência k − ε para valores baixos do numero de Reynolds. A interação da turbulência com as reações químicas é modelada calculando a composição química média por aplicação de funções densidade de probabilidade presumidas, assumindo que a composição química instantânea da chama turbulenta é descrita pelo modelo de flamelets laminares. As características das flamelets são calculadas por equações diferenciais aproximadas da combustão laminar, em que a variável independente indica a composição química e um outro parâmetro presente nas equações, a taxa de dissipação escalar, tem em conta o efeito da turbulência na deformação da frente da chama. A determinação das grandezas que descrevem o escoamento com combustão é efetuada com recurso a métodos numéricos. As equações de transporte são transformadas em equações algébricas por intermédio da discretização das equações de transporte pelo método dos volumes finitos. A forma das equações de transporte utilizadas permite a discretização em malhas ajustadas a geometrias complexas. O sistema de equações algébricas é resolvido iterativamente pelo método de Gauss-Seidel. O cálculo da pressão é feito utilizando o método SIMPLE. O cálculo dos fluxos convectivos é feito utilizando os esquemas híbrido e MUSCL. Estes modelos e métodos são inicialmente aplicados ao cálculo de escoamentos sem reação química com características diversas em termos de regime de escoamento, geometria e condições de fronteira. Os resultados destes cálculos são considerados satisfatórios, permitindo a validação dos métodos usados. A câmara de combustão estudada, tendo geometria próxima da cilíndrica, foi modelada em duas dimensões com simetria cilíndrica. As simulações efetuadas basearam-se na combinação de diversos modelos e malhas de diferentes refinamentos. Os resultados reproduzem aproximadamente os dados experimentais e a sua qualidade é semelhante a outros estudos efetuados com modelações diversas.