Modelagem da formação de fuligem baseada no método das seções : efeitos do CO2 e acoplamento com a técnica FGM - Hoerlle, Cristian Alex (2020)
Regulamentações relacionadas as emissões de fuligem estão se tornando mais restritivas devido ao impacto negativo da fuligem no meio ambiente e na saúde humana. Desta forma, a massa total de fuligem e o tamanho das partículas emitidas devem ser controlados. Novas tecnologias de combustão, como oxy-fuel aliado a recirculação de gases de exaustão, tem demonstrado um grande potencial de redução da formação de poluentes. Neste contexto, este trabalho explora os efeitos da adição do CO2 na formação de fuligem em chamas de etileno enriquecidas em oxigênio. Chamas unidimensionais laminares contra-corrente foram estudadas numericamente considerando cinética química detalhada, modelos avançados de radiação térmica e o método das seções para a formação de fuligem. O método das seções contabiliza processos físicos (nucleação, condensação e coagulação) e químicos (crescimento super cial e oxidação) da formação da fuligem e é capaz de descrever a distribuição de distintos tamanhos de partículas. A radiação é resolvida através da equação da transferência radiante considerando o modelo da soma ponderada dos gases cinzas (WSGG) ou o método linha-por-linha (LBL) para a integração espectral. Os efeitos químicos, termo-físicos e radiantes do CO2 sobre formação de fuligem foram investigados através da adição de CO2 nas misturas de combustível e oxidante. Foi observado que o CO2 suprime a formação e o crescimento dos PAHs, levando a redução da produção de fuligem. Enquanto os efeitos químicos são mais importantes para a supressão dos PAHs quando o CO2 é adicionado ao oxidante, efeitos químicos e termo-físicos são igualmente importantes quando o CO2 é adicionado ao combustível. Em ambos os casos, efeitos químicos são mais signi cativos para a supressão da formação de fuligem. Uma vez que modelos globais de radiação térmica devem ser capazes de predizer adequadamente a estrutura de chamas, soluções obtidas com o modelo WSGG de superposição foram comparadas com soluções empregando a integração LBL. Pela primeira vez a abordagem LBL é empregada de forma acoplada com modelo detalhado de cinética química e o método das seções. Observou-se que o modelo WSGG de superposição obteve resultados similares aqueles encontrados com a integração LBL para a estrutura geral da chama e as predições de fuligem. Também foi mostrado que a reabsorção de radiação pelo meio participante é fundamental para as predições de fuligem, mesmo para baixos níveis de adição de CO2. No entanto, essas simulações detalhadas são computacionalmente demandantes mesmo para simulações unidimensionais. Visto que as técnicas amelets são capazes de modelar a cinética química detalhada de forma e ciente e acurada, simulações numéricas também foram conduzidas visando explorar a modelagem da formação de fuligem utilizando a técnica Flamelet-Generated Manifold (FGM). Os resultados indicaram que a técnica FGM, considerando efeitos de difusão preferencial e a abordagem simpli ca de PAHs agrupados (atuando como conexão entre a fase gás e sólida), foi capaz de prever a formação de fuligem para uma ampla faixa de taxas de deformação de chamas planas (sem efeitos de curvatura) quando comparadas com simulações detalhadas. Por outro lado, a técnica FGM, considerando um manifold formado somente por chamas planas, capturou apenas qualitativamente os processos de formação de fuligem em chamas curvadas, demonstrando a necessidade de expandir o manifold atual para contabilizar os efeitos de curvatura. Ainda é importante ressaltar que a técnica FGM foi aproximadamente três vezes mais rápida que a abordagem de cinética química detalhada para as simulações da formação de fuligem, e aproximadamente setenta vezes mais rápida quando somente a fase gás foi resolvida.