Simulações de chamas turbulentas de etanol com modelo de turbulência k-E.

Abstract

Several industrial equipments use combustion processes with sprays. The main advantages of this process are related to the increase in the flame control and in the safety of liquid fuel logistics. Currently, the interest on the utilization of biofuels as an alternative to the reduction of carbon dioxide emissions is increasing. Among the types of biofuels the ethanol stands out by being used blended with gasoline in the transport sector of several countries. From this overview, this work presents the modeling and simulation of an ethanol turbulent spray flame. The results of the simulations were compared with experimental data from the literature. The resulting model was based on the finite volume method for low Mach number and steady state flows. The spray was calculated using the Separated Flow method (SF) with an Euler-Lagrange model, where the gaseous phase was described by an Eulerian model and the liquid phase by a Lagrangian particle method. Both phases were fully coupled in order to account for shared effects. The turbulence model k-ε Standard was used to determine the dispersant phase. Evaporation of droplets was calculated with the assumption of the infinite-liquid-conductivity model, where the droplet inner temperature is uniform, but varies with the mass and heat transfer within the dispersant phase. To reproduce the effects of the evaporative cooling the combustion was modeled with a modified flamesheet model which regarded a jointed mixture fraction-enthalpy β-PDF. Radiactive heat transfer was not accounted for in this work. Reasonable agreement between measured and computed mean profiles of temperature of the gas phase and droplet size distributions was achieved. Some deviations were observed in the mean velocity profiles comparisons between experimental data and simulations, which were assigned to the over predicted diffusion of the mean quantities transported by the gas phase.

Simulação de uma chama turbulenta de etanol com elementos de chama laminar e modelo das tensões de Reynolds.

“…Em um experimento de escoamentos reativos de combustíveis líquidos, seria necessária a descrição da fase líquida através de métodos como o PDPA (Phase Doppler Particle Anemometry), que permite a obtenção do diâmetro das gotas e sua respectiva velocidade dentro da fase gasosa. Enquanto em uma simulação, novos modelos devem ser introduzidos para descrever a fase líquida, conforme descrito por Faeth (1977), Faeth, (1983 e Faeth (1987) e apresentado nos trabalhos de Chrigui (2005), Düwel et al (2007), Rochaya (2007), Sacomano (2011) e Li e Zhou (2012).…”

“…Entretanto, ainda há uma falta de trabalhos que estudem escoamentos reativos de spray de etanol. A maioria dos trabalhos nessa área foi desenvolvida nos últimos dez anos, dentre os quais se destacam os trabalhos numéricos de Düwel et al (2007), Sacomano (2011), Fukumasu (2010 e Li e Zhou ( 2012), e os trabalhos experimentais de Masri e Gounder (2009), Fukumasu et al (2013) e Villanueva (2013).…”

“…Dentro deste cenário, este trabalho avança no estudo dos fenômenos envolvidos na combustão de sprays de etanol, utilizando-se de métodos numéricos. Sacomano (2011) as características do escoamento permitiam.…”

“…Destacada a importância da modelagem para processos de combustão turbulentos, passa-se à descrição da turbulência. Wilcox (1993) Sacomano, 2011). Vários trabalhos foram desenvolvidos nesse sentido, Sacomano (2011) discutiu que melhores resultados para escoamentos de chamas turbulentas de spray foram obtidos ajustando uma constante da equação de transporte da taxa de dissipação da energia cinética turbulenta, C 2,ε , a qual multiplica o termo de dissipação dessa variável.…”

“…Wilcox (1993) Sacomano, 2011). Vários trabalhos foram desenvolvidos nesse sentido, Sacomano (2011) discutiu que melhores resultados para escoamentos de chamas turbulentas de spray foram obtidos ajustando uma constante da equação de transporte da taxa de dissipação da energia cinética turbulenta, C 2,ε , a qual multiplica o termo de dissipação dessa variável. Fiorina et al (2009) propõem valor semelhante ao utilizado por Sacomano (2011) para aumentar a precisão do modelo para jatos axissimétricos.…”