Evaluation of the WSGG model for coupled calculations of laminar diffusion flames

Abstract

A radiação nos meios participantes é um fenômeno que resulta do alargamento das linhas espectrais consequência de transições dos modos de energia entre vibração e rotação em nível atômico, sendo, portanto, um efeito altamente dependente da concentração de espécies e temperatura, e sua relevância em casos de alta temperatura foi demonstrado experimentalmente, teoricamente e numericamente. O presente estudo visa explorar diferentes abordagens para a solução da transferência de calor radiativa acoplada às reações químicas e equações de transporte de chamas de difusão laminar. Para isto, o software CHEM1D foi aplicado para o cálculo de chamas contra-fluxo unidimensionais. Embora a aplicação já tenha em seu código um modelo de gás cinza de limite óptico fino (OTA), o presente trabalho implementou o modelo do gás cinza (GG) e o modelo da soma ponderada de gases cinzas (WSGG), bem como o método de integração linha por linha (LBL). Para o modelo WSGG, diferentes correlações de coeficientes para absorção e ponderação disponíveis na literatura foram incluídas neste estudo. Comparações dessas quatro abordagens foram o foco desta dissertação mudanças na taxa de deformação (que representa a velocidade dos reagentes) e na diluição do CO2 no lado do combustível. Devido à sua exatidão no cálculo da dependência espectral das propriedades radiativas, o LBL é considerado a solução de referência com a qual os três modelos foram comparados. As principais variáveis avaliadas foram o termo máximo da fonte de calor radiativo, a perda total de calor por radiação e a concentração da espécie de monóxido de carbono. Os modelos WSGG mostram-se em todos os casos apresentados melhor para estimar as variáveis propostas, com resultados de formulações deste modelo que contabilizam separadamente as espécies participantes tendo um desempenho geral aceitável. Após essas comparações, foi feito um estudo investigando os limites de extinção dos modelos e do LBL, com diluições sendo aumentadas até a extinção da chama devido às perdas radiativas para diferentes taxas de deformação. Os resultados são comparados com dados experimentais da literatura, e mostra-se que algumas formulações WSGG com maior complexidade embora tenham melhores resultados anteriormente, não possuem robustez para alcançar convergência em maior diluição de CO2. Para as reações químicas foi utilizado um uma versão reduzida do GRI-MECH 1.2 com 19 espécies, incluindo N2 e AR e com 84 reações.

Radiation in participating media is a phenomenon that results from the broadening of spectral lines consequence of the transitions of energy modes between vibration and rotation in atomic level, therefore being an effect highly dependent of species concentration and temperature, and its relevance in several high-temperature problems has been demonstrated experimentally, theoretically, and numerically. This present study aims to explore different approaches for the solution of the radiative heat transfer coupled with the chemical reactions and transport equations of laminar diffusion flames. For this endeavor, the CHEM1D software was extensively applied for the calculation of one-dimensional counter-flow flames. Although the application already has imbued in its code a thin optic limit grey-gas model (Optically Thin Approximation – OTA), the present work has implemented the Grey-Gas (GG) and the Weighted-Sum-of-Grey-Gases (WSGG) models as well as the Line-by-Line integration method (LBL). For the WSGG model, different correlations of coefficients for the pressure absorption and temperature dependence available in literature were included in this study. Comparisons of these four approaches were the focus of this dissertation for different calculation setups. These changes were in the strain rate (which stands as the velocity of the reagents) and in the dilution of CO2 in the fuel side. Due to its exactness in calculating the spectral dependence of the radiative properties, the LBL is considered the benchmark solution to which the three models were compared. The main variables evaluated were the maximum radiative heat source term, the total radiative heat loss, and the species concentration of carbon monoxide. WSGG models show to be in every case presented better at estimating the proposed variables with results from formulations of this model that separately account for the participating species to have a wellrounded performance overall. Following these comparisons, it was investigated the extinction limits of the models and the benchmark, with dilutions being increased up until the flame extinguishes due to radiative losses for different strain rates. Results are compared with experimental literature data, and it is shown that some WSGG formulations with higher complexity although had better results previously, do not have robustness to achieve convergence in higher CO2 dilution rates. For the chemical reaction, it was used a reduced version of GRI-MECH 1.2 with 19 species, including N2 and AR, and 84 reactions.