Utilização do método linha-por-linha para avaliação do modelo soma-ponderada-de-gases-cinza em chamas

Abstract

A transferência de calor por radiação é um problema bastante complexo de ser resolvido devido às altas temperaturas envolvidas, sobretudo em processos de combustão. O cálculo da transferência de calor por radiação envolve propriedades de absorção que variam com a temperatura, concentrações de espécies químicas participantes e o número de onda, sendo assim, faz-se necessária a utilização de modelos espectrais para obtenção de resultados confiáveis com um tempo computacional apropriado. Neste trabalho, a transferência de calor radiativa em uma chama laminar difusiva de metano, modelada como axissimétrica, para condições reais de operação, é analisada numericamente utilizando o software comercial Ansys-Fluent. A equação da transferência radiativa é resolvida espacialmente pelo método das ordenadas discretas (DOM). A modelagem do coeficiente de absorção do meio participante foi realizada através do método da integração linha por linha (LBL), o qual leva em conta cada número de onda disponível para o cálculo da radiação térmica, sua implementação é realizada por meio de rotinas de usuários (UDFs). Os cálculos foram realizados de forma desacoplada - radiação/dinâmica de fluidos computacional (CFD). Os resultados obtidos com o método LBL foram comparados com dados experimentais e com resultados obtidos através do modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG) com correlações baseadas em banco de dados atuais – HITEMP2010. Essa comparação foi realizada com o propósito de avaliar a exatidão dos resultados obtidos pelo modelo WSGG, uma vez que a solução LBL é considerada uma solução benchmark. Também foi realizada uma análise da resolução quanto à quantidade de números de onda necessárias para a solução LBL apresentar resultados satisfatórios e computacionalmente viáveis. Os resultados encontrados com o método LBL para o fluxo de calor radiativo concordaram de forma satisfatória com os resultados obtidos pelo modelo WSGG mostrando, que apesar da simplicidade o modelo WSGG é capaz de prever eficientemente a transferência de calor por radiação em problemas de combustão, da mesma forma que para com os dados experimentais.

The radiative heat transfer is a very complex problem to be solved, due to the high temperatures involved, especially in combustion processes. The calculation of radiative heat transfer involves absorption properties that vary with temperature, concentrations of participating chemical species and wavelength number, thus requiring the use spectral models to obtain reliable results with an appropriate computational time. In this work, the radiative heat transfer in a diffusive laminar flame of methane, modeled as axisymmetric, for real operation conditions is numerically analyze using the commercial software Ansys-Fluent. The radiative heat equation was solved spatially by the discrete ordinates method (DOM).The modeling of the absorption coefficient for participant medium was performed through the line by line integration method (LBL) that takes into account the absorption coefficient at each wavelength available to calculate the thermal radiation, its implementation is done through user-defined-functions (UDFs). The calculations were performed decoupled form – radiation/ computational fluid dynamics (CFD). The results obtained with the LBL method was compared to experimental data available and to the numerical solution obtained with the WSGG model with correlations based from current database – HITEMP2010. This comparison was made with the purpose of evaluating the accuracy of the results obtained by the WSGG model, since the LBL solution is considered a benchmark solution. An analysis was also performed on the resolution of the quantity of wave numbers required for the LBL solution has satisfactory and computationally viable results. The results obtained with the LBL method for the radiative heat flux satisfactorily agreed with the results obtained by the WSGG model showing that despite the simplicity of the model it is able to efficiently predict the transfer of heat by radiation in combustion problems, in the same way as for the experimental data.