Modelagem e simulação de chamas difusivas de H2, formato de metila e decanoato de metila usando o método REDIM

Abstract

Nas últimas décadas o consumo de energia tem aumentado consideravelmente. Uma alternativa energética renovável com benefícios ambientais é o uso de biocombustí- veis, a fim de evitar a dependência de combustíveis fósseis. Desta forma, faz-se necessário um melhor entendimento sobre a combustão dos biocombustíveis. A combustão é descrita pelas equações de continuidade, quantidade de movimento, conservação de espécies químicas e de energia, com forte acoplamento entre as equações. Nos sistemas químicos, cujas escalas de tempo variam em várias ordens de magnitude, algumas reações são rápidas comparadas com os processos físicos, tais como a difusão, convecção, turbulência, e outras reações são consideradas lentas. Os sistemas químicos com escalas de tempo rápidas geram sistemas numéricos rígidos (stiff). Quando isto acontece, a obtenção da solução das equações diferenciais precisa de várias etapas com passos de tempo pequenos, sendo o custo computacional elevado. Assim, é necessário reduzir o número de reações dos mecanismos cinéticos. Neste trabalho, apresenta-se a modelagem e simulação de chamas difusivas de hidrogênio, do biocombustível methyl formate (formato de metila) e methyl decanoate (Decanoato de metila). O método Reaction-Diffusion Manifold (REDIM) unidimensional foi usado para hidrogênio, methyl formate e methyl decanoate e REDIM bidimensional foi usado para methyl decanoate. As equações diferenciais parciais da continuidade, quantidade de movimento, fração de mistura e a equação de fração de massa para dióxido de carbono (para REDIM 2D), são discretizadas usando o método de dife- renças finitas, gerando sistemas de equações que são resolvidos usando o método de Runge-Kutta Simplificado. Na parte química, usa-se o método semi-implícito de Rosenbrock. Os resultados obtidos para o hidrogênio foram comparadas com dados da literatura. Para o methyl formate foram obtidos os principais produtos, sendo comparados com os dados experimentais do combustível methyl butanoate (butanoato de metila), apresentando concordância razoável. Os principais produtos do decanoato de metila foram comparados com dados da literatura. A principal contribuição deste trabalho é usar o método REDIM na modelagem e simulação de chamas difusivas para o sustituto do biodiesel MD.

In recent decades, energy consumption has increased considerably. A renewable energy alternative with environmental benefits is the use of biofuels in order to avoid dependence on fossil fuels. Thus, a better understanding of the combustion of biofuels is needed. Combustion is described by the equations of continuity, momen- tum, conservation of chemical species and energy, with strong coupling between the equations. In chemical systems, whose time scales vary by several orders of mag- nitude, some reactions are fast compared to physical processes, such as diffusion, convection, turbulence, while other reactions are slow. Chemical problems with fast time scales generate stiff (rigid) numerical systems. When this happens, the solution of the differential equations requires several steps with small time steps, and the computational cost is high. Thus, it is necessary to reduce the number of reac- tions of the kinetic mechanisms. In this work, the modeling and simulation of jet diffusion flames of hydrogen, methyl formate and methyl decanoate are presented. One-dimensional Reaction Diffusion Manifold (REDIM) method was used for hydro- gen, methyl formate and methyl decanoate and two-dimensional REDIM was used for methyl decanoate. The partial differential equations for continuity, momentum, mixture fraction and for the carbon dioxide mass fraction (for the two-dimensional REDIM) are discretized using the finite difference method, generating systems of equations that are solved using the method of Runge-Kutta Simplified. In the chemical part, Rosenbrock’s semi-implicit method is used. The results obtained for hydrogen were compared with data from the literature. For the methyl formate biofuel, the main products were obtained, being compared with the experimental data of the Methyl Butanoate fuel, showing reasonable agreement. For the methyl decanoate, its main products were compared with data from the literature. The main contribution of this work is to use the REDIM method in the modeling and simulation of diffusion flames of the biodiesel substitute MD.