Numerical study of the laminar premixed flame stabilization on a slot burner : comparison between detailed and FGM models

It is still a challenging task to numerically solve flames using detailed chemical kinetics in multidimensional geometries of practical applications. To overcome this difculty, many eforts have been done to develop chemical kinetics reducing techniques, such as ILDM, FPV, FPI, and FGM. Although these techniques are widely discussed in the literature, their implementation is not straightforward. In the present work, the FGM technique is implemented to solve a two-dimensional laminar premixed flame of CH4∕air stabilized by heat losses to the burner rim. This confguration is explored to test the FGM prediction capabilities for some stable conditions, one of them close to the blow-of limit. Temperature, mass fraction of selected species, and the burning velocity variation along the flame surface are presented, and limitations of the technique were identifed by comparing FGM results against the direct integration of the full set of conservation equation. In general, the FGM technique has shown a good quantitative agreement when compared with the direct integration

Fluctuating velocity measurements in the turbulent wake of a wind turbine model

An experimental study of the turbulent wake of a wind turbine model was realized at the “Joaquim Blessmann” wind tunnel of the UFRGS. The turbine model was developed at the Universidade de Caxias do Sul and it represents a three blade turbine characterized by a NACA 4412 aerodynamic profile. Measurements of the velocity fluctuations were realized by hot wire anemometry. Complexity of the turbulent flow is evaluated by mean and fluctuating velocity profiles. The influence of the incident flow turbulence and the flow reconstructing process are analysed by the measurement results

Numerical study of premixed flame stabilization within porous inert media employing the flamelet generated manifold technique

Atualmente, o processo de combustão é o principal responsável pelas emissões de gases do efeito estufa. Uma alternativa para uma matriz energética mais sustentável requer a utilização de combustíveis provenientes de fontes renováveis (biogás, gás de biomassa, etc.). No entanto, esses combustíveis muitas vezes são caracterizados por um baixo poder caloríco, o que torna difícil sua estabilização e controle em queimadores convencionais. Dessa forma, os queimadores porosos são uma opção viável para esse tipo de aplicação. Tal tecnologia permite a recirculação do calor das regiões próximas à frente de chama para regiões de pré-queima resultando no pré-aquecimento da mistura, trazendo como consequência: maior faixa de estabilidade, aumento da e ciência e baixa emissão de poluentes. Nesse contexto, o presente estudo avalia a estabilidade de queimadores porosos em regime estacionário e transiente para diferentes congurações usando uma abordagem numérica. Para contornar o elevado tempo computacional atualmente requerido em simulações de combustão com cinética química detalhada, a técnica Flamelet Generated Manifold (FGM) foi implementada e validada usando um mecanismo cinético de 22 espécies e 104 reações (DRM22) em uma chama pré-misturada estabilizada em um queimador tipo pórtico com perdas de calor. Os resultados demonstram uma boa concordância quantitativa tanto numa abordagem unidimensional quanto bidimensional nos per s de temperatura e nas espécies avaliadas. Além disso, foi realizada uma detalhada comparação da velocidade de chama que mostraram os efeitos da perda de calor pelas bordas do queimador e os efeitos de curvatura na região da ponta da chama. Após, a técnica FGM foi implementada e validada em um queimador poroso em regime estacionário e transiente. Posteriormente, a con guração foi explorada em condições que precedem a condição de blowo para diferentes propriedades da matriz por Posteriormente, a con guração foi explorada em condições que precedem a condição de blowo para diferentes propriedades da matriz porosa. Além disso, foi avaliado o comportamento do queimador quando imposto a diferentes condições de pulsos em regime transiente (período e magnitude) utilizando como condição inicial as condições que precedem o blowo . Foi observado que o aumento da condutividade térmica do sólido reduz a faixa de estabilidade. Isso tem ocorrido devido a estabilização da chama no limite de blowo ser mais a jusante e a diferença de temperatura entre as fases serem maior para diferentes condutividades. Na última parte, foram explorados numericamente dois queimadores porosos axissimétricos com similar mecanismo de estabilização uidodinâmica. No primeiro foi avaliado um queimador poroso divergente, enquanto na segunda abordagem foi mantida a mesma área de passagem transversal, alterando a porosidade e o diâmetro do poro na direção longitudinal. A segunda abordagem também recebe destaque (inclusive no âmbito industrial) devido ao desenvolvimento de tecnologias de manufatura aditiva ocorrido nos últimos anos. Dessa forma, uma comparação da faixa de estabilidade, e ciência da recirculação de calor, além de uma discussão detalhada do comportamento do escoamento na região da chama foram realizadas. Os resultados mostraram que um maior diâmetro de poro e porosidade aumenta condutividade térmica do sólido efetiva, favorecendo a recirculação do calor. Com isso, a con guração com uma variável matriz porosa apresentou uma faixa de estabilidade superior quando comparado com o queimador poroso divergente.Currently, the combustion process is the main responsible for greenhouse gas emissions. An alternative for a more sustainable energy matrix requires the use of fuels from renewable sources (biogas, biomass, etc.). However, these renewable fuels are often characterized by a low calori c value, which makes it di cult to stabilize in traditional burners. Therefore, porous burners are a feasible alternative for this type of application. This technology allows the recirculation of heat from regions near the ame front to pre- ame regions, resulting in the pre-heating of the unburned gases. The consequences are increased stable range, increased e ciency, and low pollutant emissions. In this context, the present study evaluates the stability of porous burners in steady and transient conditions for di erent con gurations using a numerical approach. Currently, a high computational time is necessary to solve combustion processes when detailed chemistry is required. Thus, the Flamelet Generated Manifold (FGM) technique was implemented and validated step-by-step using a mechanism with 22 species and 104 reactions (DRM22) in a slot burner with heat losses. The results demonstrate a good quantitative agreement for the temperature pro le and species evaluated in one-dimensional and two-dimensional domains. In addition, a detailed evaluation of burning velocity was performed, which showed the in uence of heat loss and curvature of the ame tip in the burning velocity. After, the FGM technique was also implemented and validated in a porous burner considering stationary and transient regimes. The model was explored in conditions that precede the blowo for di erent porous matrix properties. These conditions were applied as initial conditions and pulses with di erent magnitudes and periods were evaluated. It was observed that the increase in the solid thermal conductivity reduces the stability range. his has occurred because the ame stabilization at the blowo limit is located downstream, and the temperature di erence between the phases is higher for di erent conductivities when compared with the porosity. In the last part, two axisymmetric porous burners with a similar uid dynamic stabilization mechanism have been explored. One of them is a porous burner with a conical shape. The second is a porous burner with graded porosity and pore diameter that progressively maintain the same void area for the gas ow of the conical porous burner. The porous matrix with graded porosity is highlighted (including in the industrial eld) due to the recent development of additive manufacturing technologies. Thus, a comparison of stability range, convective heat exchange, and a detailed discussion of the ow behavior near the ame region has been performed

Estudo do fenômeno de Clogging na região da válvula tampão por meio da dinâmica dos fluidos computacional

No lingotamento contínuo, o fenômeno de clogging é um problema ainda a ser resolvido e pouco se sabe a respeito da fluidodinâmica em válvulas do tipo tampão. Este trabalho pretende contribuir para uma melhor compreensão do mecanismo de deposição de inclusões de alumina, empregando um modelo fluidodinâmico computacional para caracterizar o escoamento do aço na região da válvula tampão. Para o cálculo, foi modelada uma geometria tridimensional da região próxima à válvula. A solução do escoamento foi realizada usando as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS). A deposição de inclusões foi implementada com dois modelos distintos: Lagrangeano e o ASM (Algebraic Slip Model). Foram avaliadas diferentes aberturas do tampão para visualizar o comportamento do aço na região da válvula e relacioná-lo à taxa de deposição de inclusões. Observou-se que, para ambos os modelos, quanto mais elevada estiver a válvula tampão, menor a taxa de deposição de inclusões. Numa segunda etapa, foi simulada a injeção de gás através do colo da válvula por meio de 16 injetores com o objetivo de ver a influência desta nas regiões de mais provável deposição. Observou-se que a injeção de gás contribuiu para a redução da taxa de deposição na região da válvula.The clogging phenomenon is a yet to be solved problem and there is little knowledge about the fluid-dynamic relation to inclusions deposition. The purpose of this study is to help to understand the inclusions deposition mechanism, employing a CFD model to describe the steel flow in a stopper rod. A 3D geometry of the nozzle region was built and the results were obtained using Reynolds Average Navier-Stokes (RANS). The study of the deposition of inclusions was implemented with two different models: Lagrangian and ASM (Algebraic Slip Model). Different stopper rod openings were evaluated in order to visualize the steel flow through the nozzle and compare the alumina deposition rate. It was observed that larger stopper rod openings lower the inclusions deposition rate. In the second part of this study, the gas is injected through 16 points located at the nozzle to evaluate its influence on the aluminum deposition rate. The comparison between numerical results showed that the gas injection has reduced the deposition rate on the stopper rod region

Estudo do fenômeno de Clogging na região da válvula tampão por meio da dinâmica dos fluidos computacional

No lingotamento contínuo, o fenômeno de clogging é um problema ainda a ser resolvido e pouco se sabe a respeito da fluidodinâmica em válvulas do tipo tampão. Este trabalho pretende contribuir para uma melhor compreensão do mecanismo de deposição de inclusões de alumina, empregando um modelo fluidodinâmico computacional para caracterizar o escoamento do aço na região da válvula tampão. Para o cálculo, foi modelada uma geometria tridimensional da região próxima à válvula. A solução do escoamento foi realizada usando as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS). A deposição de inclusões foi implementada com dois modelos distintos: Lagrangeano e o ASM (Algebraic Slip Model). Foram avaliadas diferentes aberturas do tampão para visualizar o comportamento do aço na região da válvula e relacioná-lo à taxa de deposição de inclusões. Observou-se que, para ambos os modelos, quanto mais elevada estiver a válvula tampão, menor a taxa de deposição de inclusões. Numa segunda etapa, foi simulada a injeção de gás através do colo da válvula por meio de 16 injetores com o objetivo de ver a influência desta nas regiões de mais provável deposição. Observou-se que a injeção de gás contribuiu para a redução da taxa de deposição na região da válvula.The clogging phenomenon is a yet to be solved problem and there is little knowledge about the fluid-dynamic relation to inclusions deposition. The purpose of this study is to help to understand the inclusions deposition mechanism, employing a CFD model to describe the steel flow in a stopper rod. A 3D geometry of the nozzle region was built and the results were obtained using Reynolds Average Navier-Stokes (RANS). The study of the deposition of inclusions was implemented with two different models: Lagrangian and ASM (Algebraic Slip Model). Different stopper rod openings were evaluated in order to visualize the steel flow through the nozzle and compare the alumina deposition rate. It was observed that larger stopper rod openings lower the inclusions deposition rate. In the second part of this study, the gas is injected through 16 points located at the nozzle to evaluate its influence on the aluminum deposition rate. The comparison between numerical results showed that the gas injection has reduced the deposition rate on the stopper rod region

Simulação numérica do escoamento em modelo físico da estação de refino secundário RH

Resumo não disponíve