[pt] O presente trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de um modelo computacional para análise da combustão em motores do ciclo Otto. Tal modelo está fundamentado na primeira lei da termodinâmica e calcula parâmetros de interesse para o estudo d combustão, do desempenho e das emissões, a partir de resultados experimentais do motor. Descreve-se, também, o aparato montado para a medição desses dados, fazendo-se um destaque – pela sua fundamental importância – para o sistema de aquisição e tratamento dos dados de pressão no cilindro. Realizam-se ensaios com diferentes combustíveis, taxas de compressão e relações ar-combustível e, através dos resultados calculados com esses diferentes dados de entrada, avalia-se o comportamento do programa, quanto a sua qualidade como ferramenta para análise da combustão. / [en] The presente work is concenerd with the development and application of a computacional model for the analysis of Otto engine combustion. It is based on applying the first law of thermodynamics to be cylinder contents. The computacional model was performed in order to obtain parameters to study the combustion process, the performace and pollutant emissions from the engine. It needs some experimental data, such the time resolved history of the cylinder pressure. The present work also describes the experimental apparatus, including the pressure data acquisition and treatment system. Then, experiments were carried out utilizing different fuels, compression ratios and air-fuel ratios. Based on the results computed with these data, it was verified the quality of the program as a good combustion analysis tool.

[pt] A simulação numérica de processos de combustão é uma ferramenta cada vez mais utilizada para o projeto, a análise e a otimização de turbinas, motores e fornos de combustão, entre outros. No entanto, um dos principais inconvenientes que limitam a descrição fiel da realidade de modelos de combustão é o esforço computacional necessário para a solução das equações de transporte das propriedades do escoamento reativo, como frações de massa das espécies químicas, que incluem um termo fonte não linear associado à lei de Arrhenius. A rigidez e a carga computacional relacionadas com a determinação deste termo domina o custo de simulações que empregam modelos detalhados da cinética química da combustão. Esta dissertação descreve um estudo cujo objetivo é reduzir tais custos mediante a utilização de uma técnica de tabulação automática da evolução termoquímica da mistura. Assim, este trabalho apresenta a discussão do estado da arte da técnica denominada tabulação adaptativa in situ, que exibe desempenho considerável em termos de tempo computacional, na determinação dos termos fontes químicos, e propõe uma modificação do algoritmo atrasando o início da tabulação, para evitar o armazenamento de composições existentes apenas no estado transiente da queima, as quais não são representativas do regime estatisticamente estacionário. Um estudo dos resultados obtidos, em um reator parcialmente agitado com CO/O2, mostra ganhos superiores a 95 por cento na altura da árvore binária utilizada para tabulação, isso se reflete no custo de armazenamento e na acurácia dos resultados. Uma análise do tempo computacional caracteriza situações em que a nova estratégia de tabulação pode levar à redução do mesmo, quando comparado com a estratégia original. Seu desempenho é confirmado pelo estudo do sistema químico CH4/ar. / [en] The numerical simulation of combustion processes is an important tool used for design, analysis and optimization of turbines, combustion engines and furnaces, among others. However, one of the major drawbacks that limit the faithful description of reality of combustion models is the computational effort required for the transport equations solution of reactive flow properties such as chemical species mass fractions, which include a nonlinear source term associated to the Arrhenius law. The stiffness and the computational burden related to the determination of such term, largely dominate the cost of simulations that employ detailed models of chemical kinetics combustion. This dissertation describes a study whose objective is to reduce these costs by using a of automatic tabulation technique of the mixture’s thermochemical evolution. Hence, this work presents a state of the art discussion of the technique named in situ adaptive tabulation – ISAT, which shows considerable performance in terms of computational time for the determination of the chemical sources terms, and proposes a modification in the algorithm by delaying the table start to avoid the storage of compositions that exist only in transient state, and which are not statistically representative of the stationary regime. A systematic study of the results in a partially stirred reactor with CO/O2, shows more than 95 per cent gains at the binary tree height used for tabulation, the gains are also optimistic in the storage demand and the results accuracy. A computational time analysis characterizes situations in which the new strategy tabulation could reduce it, when compared to the original algorithm. The strategy performance is confirmed by the study of the chemical system CH4/ar.

[pt] Com o intuito de reduzir as emissões e melhorar a combustão em uma maior faixa de rotação e carga de um motor, foi proposto o estudo da combustão por compressão de misturas homogêneas (HCCI), este processo apresenta altas eficiências e baixas emissões, principalmente de NOx e fuligem. Assim, o objetivo do presente trabalho é a determinação das faixas de operação estável em um motor diesel, de alta taxa de compressão (20:1). O combustível utilizado foi gasolina tipo A, tendo em vista a sua grande produção, além das características de auto-ignição. Para atingir o objetivo proposto foram controladas a temperatura de entrada do ar e a quantidade de combustível da mistura, o que foi implementado sem modificação estrutural do motor. Os ensaios foram realizados com uma temperatura de alimentação entre 75 e 95 ºC, com rotação entre 1200 e 2200 RPM. Os valores para o fator lambda variaram, em função de um processo de combustão estável, entre 2 e 4. São apresentados os resultados experimentais obtidos em um dinamômetro de bancada, sobre os quais se fez uma análise do rendimento, para a faixa de melhor estabilidade da combustão. Para a mesma faixa foi realizada uma análise das curvas de pressão x tempo, caracterizando a auto-ignição como função da temperatura do ar e da riqueza da mistura. Os melhores rendimentos encontrados situam-se ao redor de 36,5 %, para uma temperatura de ingresso de 85 °C, para as maiores rotações pesquisadas. / [en] The present study of homogeneous mixture compression ignition (HCCI) was proposed in order to reduce emissions and improve combustion at a higher speed range and load, this process has high efficiency and low emissions mainly NOx and soot. Therefore, the aim of this study was to determine the ranges of stable operation in a diesel engine of high compression ratio (20:1), operating in HCCI. The fuel used was gasoline type A, given its large production, besides the good characteristics of auto-ignition. To achieve this purpose were controlled inlet air temperature and the amount of fuel in the mixture, these were implemented without structural modification of the engine. The tests were conducted with a feed temperature between 75 and 95 ° C, with rotation between 1200 and 2200 RPM. The values for the lambda factor varied between 2 and 4, as a function of a stable combustion process. The experimental results here reported were obtained on a dynamometer bench, on which, it was made a performance analysis for the better stability combustion range. Additionally for this range, an analysis of the curves of pressure vs. time was performed, characterizing the auto-ignition as a function of air temperature and the richness of the mixture. The best results found are located around 36.5% at an intake temperature of 85 ° C for the highest speed studied.

[pt] No presente trabalho, foi desenvolvido uma metodologia teórico-experimental para a avaliação de plantas de cogeração, incluindo o confronto com os dados dos fabricantes dos equipamentos, a análise de incerteza de medição dos principais parâmetros e a análise termoeconômica. Como resultado, o trabalho visa apresentar critérios mais otimizados para especificação e operação de sistemas de cogeração. Para o seu desenvolvimento, foram analisadas a planta da Companhia Cervejaria Brahma, localizada em Campo Grande, RJ, que é constituída de três turbinas a gás de 4,90 MW acopladas a três caldeiras de recuperação que utilizam Pós-Queima, com capacidade nominal de até 36000 kg/h, cada uma, e a planta do Parque Gráfico do InfoGlobo, localizada na rodovia Washington Luis, Duque de Caxias, RJ, que é constituída de dois motores alternativos de combustão interna de 2,90 MW, duas caldeiras de recuperação e um chiller de absorção de 800 TR s. Para a Companhia Cervejaria Brahma, foi utilizado a metodologia do balanço de massa das reações químicas, usando as medições das emissões e da composição do gás natural na planta, para obtenção da vazão mássica do ar admitido pela turbina e, consequentemente, a vazão mássica dos gases de exaustão. Essa metodologia foi empregada devido a não existência de um medidor de vazão de ar nas turbinas, que é um parâmetro essencial para avaliação do desempenho da planta. Esta metodologia também foi empregada, para a avaliação das caldeiras de recuperação que utilizam queima adicional de combustível. Foi realizada, também, a análise de incertezas dos resultado de desempenho obtidos na planta, de modo a identificar problemas operacionais como, o economizador sujo da caldeira de recuperação. Também, pode-se ver verificar, que o aproveitamento global do combustível utilizado, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado da água foi inferior ao aproveitamento deste, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado dos gases. A menor diferença encontrada destes valores na escala percentual, foi de 6 porcento. Como esta diferença não é desprezível, chega-se à conclusão que a medida do desempenho da planta de cogeração deve ser feito com base na energia térmica transferida para a água, e não a que é transferida dos gases, como normalmente é feito, sem levar em consideração as perdas térmicas. Por fim, foi realizado uma análise técnico-econômica da utilização dos equipamento empregados na planta, com a finalidade de determinação de custo-benefício. Para o Parque Gráfico do InfoGlobo, foi realizada uma simulação do desempenho dos equipamentos utilizados nesta planta, devido a impossibilidade de se obter dados experimentais em determinados pontos da planta. Para isto, foram utilizados dados de projeto dos equipamentos, admitindo que estes pouco variam com as condições ambientais. Desta forma, não foram realizadas as análises de incertezas dos resultados encontrados. Com a metodologia empregada, pôde-se identificar problemas operacionais como o fato de que a bomba da água de alimentação de caldeira, estar fora doe seu ponto de projeto. De um modo geral, o percentual de aproveitamento da energia do combustível varia muito durante o dia, indicando um acoplamento insatisfatório entre a demanda e oferta de energia. Foi desenvolvido um modelo computacional, para a simulação da turbina a gás de eixo duplo THM 1203 Hispano Suiza, modo a obter todos os parâmetros essenciais que possam ser utilizados para o projeto de sistemas de cogeração. É previsto neste modelo a operação em cargas parciais com a variação das condições ambientais. / [en] A theoretical-experimental methodology was developped in this work for evaluating the performance of cogeneration plants, including the data comparison with manufacturer specifications, uncertainty analysis of main parameters and thermoeconomic analysis. As a result, this work aims the establishment of an optimized criteriumfor especifying and operating cogeneration systems. Two existing cogeneration plants were analyzed in this work, (a) Companhia Cervejaria Brahma, located in Campo Grande, RJ, consisting of three 4,90 MW gas turbine generators, three heat recovery boilers, including after burners, with a nominal capacity of 36000 kg/h of steam, each one, and (b) Parque Gráfico do InfoGlobo, located in the Wshington Luis Highway, Duque de Caxias, RJ, consisting of two 2,90 MW reciprocating engine gas generators, two heat recovery boilers and 800 TR absorption chiller. A chemical reaction mass balance methodologywas used in the BRAHMA plant.It uses the measurement of pollutant emissions and natural gas compositionfor estimating the turbine inlet air and exhaust gas flow rates, which are important for evaluating the plant performance. Thei methodology was preferred due to the fact that no air and exhaust gas flow rate measurement instrument was installed in the plant, which is usually the case. This methodology was also used for evaluating the performance of heat recovery boilers with after burners. An uncertainty analysis procedure was developed and used to identify operational problems like fouling, reducing the effectiveness of the heat recovery economizer. One of the main results of this work was the fact that as least a 6 percentual point difference between the gas and the steam sides was measured for the overall fuel chemical energy usage, demonstrating the need of a more careful analysis of component performance for designing and specifying a cogeneration plant, which takes into account the heat losses. Thus, one suggests that the heat transfer to the water be specified, rather than the one from the hot gases. A technical-economic analysis of the plant was carried on, and its cost-benefit determined. Due to difficuties in obtaining experimental data, a simulation procedure had to be used for analyzing the performance of the InfoGlobo plant. Design data for several equipments were used in the calculations, supposing that they do not vary too much with ambient conditions. Thus, the uncertainty analysis was not carried on. The used methodology identified the fact that the boiler feedwater pump was not operating in the design point. In a general way, it was observed that the overall fuel chemical energy usage varies too much along the day, indicating a mismatching between load and energy supply. Finally, as a tool for the plant analysis, a computational model was developped for estimating the cogeneration plant component parameters, to be used for design purposes. Partial load operation of the turbines is contemplated in this model, as a function of ambient conditions.

[pt] Chamas pré-misturadas em escoamentos turbulentos com rotação são encontradas em diversos sistemas de engenharia, como turbinas a gás e motores a jato. Neste trabalho, regimes de chamas característicos de tais sistemas são estudados numericamente num queimador de escala laboratorial. O estado da arte dos estudos numéricos de tais chamas é revisado, com respeito a simulações de grandes escalas, bem como o de modelos computacionais baseados em médias de Reynolds. Um estudo isotérmico é feito no escoamento turbulento, num domínio computacional que consiste de um swirler radial e uma câmara de combustão. O impacto de diferentes modelos de turbulência, níveis de refinamentos de malha e condições de contorno no número de swirl e na estrutura do escoamento é investigado. Os resultados revelam que os três modelos de turbulência propostos resultam em campos de escoamento e número de swirl similares, enquanto o nível de refinamento de malha e a condição de contorno de parede deslizante alteram o número de swirl significativamente. Utilizando as equações de média de Reynolds, com o fechamento do modelo k − E realizável, acoplado a um modelo de duas equações para chamas pré-misturadas de metano e ar, dois regimes de chamas são analisados. Estes regimes correspondem à chama de recirculação externa (chama tipo M) e um regime de instabilidade, que ocorre na transição entre a chama tipo V e chama tornado. A estrutura do escoamento é caracterizada em termos de velocidade e propriedades de turbulência e combustão. Uma comparação entre variáveis de progresso também é feita, utilizando resultados experimentais prévios, levando a boa concordância qualitativa para os dois regimes estudados. / [en] Lean premixed turbulent swirling flames are found in many engineering systems, such as gas turbines and jet engines. This work aims to numerically study flame regimes, representative of such systems, stabilized in a laboratory scale burner. The state of the art of the numerical studies concerning these types of flames is reviewed, with respect to Reynolds-Averaged NavierStokes and Large Eddy Simulations. A turbulent, isothermal flow study is performed within the radial swirler and the combustion chamber. The impact of different turbulence models (realizable k − E, RNG k − E and SST k−W), mesh refinement levels and boundary conditions on the swirl number and overall flow structure is investigated. The results show that the three tested turbulence models yield similar results, with respect to the obtained flow field, whereas the mesh refinement level and slip wall boundary condition alter the swirl number significantly. Using Reynolds-Averaged NavierStokes transport equations, closed by the realizable k − E model, coupled with a two-equation premixed combustion model for methane/air mixtures, two combustion regimes are analyzed. These regimes correspond to the outer recirculation zone flame (M-shaped flame) and an unstable regime, which occurs at the transition between the V-shaped flame and tornado-flame. The flow structure is characterized in terms of velocity fields, turbulence and combustion properties. A reaction progress variable comparison is also performed, using existing experimental results, yielding qualitatively similar results for both studied regimes.

[pt] Neste trabalho se apresenta um estudo experimental e numérico de escoamentos turbulentos quimicamente reativos em um queimador tipo obstáculo. O objetivo principal é estudar uma chama turbulenta não pré-misturada de configuração geométrica simples. Esta chama, que queima gás natural e ar, é estabilizada por um queimador tipo obstáculo. Inicialmente um estudo bibliográfico do estado da arte de experimentos e da comparação entre experimentos e modelagem neste tipo de queimador é apresentado. Na sequência, a formulação matemática, clássica, de dinâmica dos fluidos computacional é exposta, seguida da apresentação da técnica de medição empregada nos experimentos, a fluorescência induzida por plano laser (PLIF). A discussão dos resultados obtidos neste trabalho é divida em três etapas. Na primeira, comparam-se os resultados de modelagem computacional usando quatro modelos de turbulência e dois modelos de combustão com dados experimentais encontrados na literatura. Esta comparação coloca em evidência o conjunto de modelos que possui melhor capacidade preditiva no que diz respeito a este tipo de configuração. A segunda etapa consiste na apresentação dos resultados experimentais obtidos, os quais permitem caracterizar, em três regimes de combustão distintos, a presença de uma espécie química existente durante o processo de combustão, no caso, o radical hidroxila (OH). Esta caracterização é realizada pelo exame tanto da estrutura instantânea da chama turbulenta quanto da média. Por fim, comparam-se os resultados da modelagem com aqueles obtidos no presente aparato experimental. Esta comparação coloca em evidência as deficiências dos modelos clássicos de combustão empregados e indica a necessidade de serem realizadas medidas simultâneas de velocidade e de concentração de espécies químicas que possibilitem o desenvolvimento de novos modelos de combustão em escoamento turbulento. / [en] This work presents an experimental and numerical study of turbulent chemically reactive flows in a bluff body type burner. The main objective of the present work is to study a non-premixed turbulent flame on a simple geometric configuration. This flame, which burns natural gas and air, is stabilized downstream to a bluff-body. Initially, literature is reviewed on the previous experimental and modeling studies which have been performed on this kind of burner. Then, the mathematical formulation of computational fluid dynamic problem is presented. This is followed by the introduction of the experimental measurements techniques which involve planar laser induced fluorescence (PLIF). The discussion of results obtained in this work is divided in three sections. First, a comparison is made between numerical simulations, using four different turbulent models and two different combustion models, and experimental data found in the literature. Is allows to assess capacity of the different models to predict the reactive flow configuration studied. The second section presents the experimental results obtained for three combustion regimes, which are characterized by laser induced fluorescence emission of the hydroxil radical species (OH). This characterization involves the analysis the instantaneous and the average structure of the turbulent flame. Finally, the modeling results are compared to the experimental data obtained. This comparison in evidences the necessity to perform the simultaneous measurement of velocity and chemical species concentration in order to allow for the development of new models of combustion in turbulent flows.

[pt] Neste estudo, os esforços são concentrados em se buscar a redução das emissões em motores Diesel-gás. Assim, são apresentados resultados experimentais, obtidos em dinamômetro de bancada, das emissões e desempenho de um motor do ciclo Diesel (turbo alimentado e com intercooler), para operar, reversivelmente, como motor Diesel-gás ou Diesel original. Inicialmente, foram executados ensaios nas duas versões, Diesel e Diesel-gás; logo, os resultados respectivos foram comparados em termos de emissões e desempenho do motor. A seguir, na operação Diesel-gás, foi avaliado o método da restrição parcial do ar de admissão, a fim de produzir uma mistura efetivamente mais rica para a mesma quantidade do gás natural. Os resultados obtidos mostraram uma notável redução nas emissões de monóxido de carbono e hidrocarbonetos não queimados, para toda a faixa de operação avaliada. Por outro lado, as emissões de material particulado continuaram sendo ínfimas em altas taxas de substituição e os níveis de óxidos de nitrogênio apresentaram certo incremento em altas cargas do motor. Quanto ao rendimento térmico, verificam-se acréscimos quando é alcançado certo valor de taxa de substituição. Contudo, os resultados de emissões e rendimento térmico apresentam melhores resultados em baixas cargas do motor (abaixo de 50% da plena carga). Assim, além de reduzirem-se os níveis de certas emissões em altas cargas, verificou-se uma contribuição adicional do presente trabalho no que diz respeito à redução, de forma parcial, de um dos principais problemas envolvendo a combustão em motores Diesel-gás: a queima incompleta de misturas pobres em cargas baixas. / [en] The focus of this study is the reduction of emissions in Gas-Diesel engines. The experimental results of emissions and performance of a Diesel cycle engine (with turbo and intercooler), obtained by a dynamometer, are presented for operation as Gas-Diesel and as original Diesel engine. First, two kinds of operation were tested: Diesel and Gas-Diesel; then, the respective results of emissions and performance of the motor were compared. After, in Gas-Diesel operation, was evaluated the method of the partial restriction of the admission air, to produce a richer mixture with the same quantity of natural gas used before. The obtained results show a notable reduction of the emissions of carbon monoxide and unburned hydrocarbons for the whole range of evaluated operation. On the other hand, the particulate emissions had kept minims at high rates of substitution and the nitrogen oxides levels presented a bit of increase at high engine load. The thermal performance increases when is achieved a determinate substitution rate value. However, the emissions and thermal performance results have a better behavior at low engine loads (below 50% of the full load). Thus, beyond the levels of some emissions are reduced at high loads, in addition, a reduction was found, of partial form, from one of the main problems involving combustion in Gas-Diesel engines: the incomplete burning of poor mixtures in low loads.

[pt] O escoamento em um queimador tipo corpo rombudo é estudado experimentalmente. Este queimador, representativo daqueles que podem ser encontrados em fornos industriais, propicia um amplo acesso óptico, fornecendo assim as condições necessárias para um estudo detalhado da combustão em escoamentos turbulentos. São realizadas medições simultâneas da luminosidade emitida pela fluorescência induzida do radical químico Hidroxila (OH) e do campo de velocidade do escoamento aplicando as técnicas de Fluorescência Induzida por Plano Laser (PLIF) e Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV), respectivamente. A análise de incerteza das medições realizada mostrou que nos casos reativos as incertezas experimentais associadas às técnicas PIV e PLIF, são de 6 por cento e 25 por cento, respectivamente. O estudo de dois casos quimicamente inertes, um com o escoamento dominado pelo jato e outro pela esteira, serve de base para o cálculo das incertezas nas medições e na análise da estrutura do escoamento. Em seguida são estudados diversos regimes de combustão utilizando diferentes vazões de combustível gás natural e ar. As características da frente de chama e as estruturas do escoamento a jusante da superfície do queimador são analisadas através da distribuição da fluorescência de OH e dos campos de velocidade medidos. A imagem média permite verificar a posição do escoamento em que a chama se estabiliza, além de indicar a superfície de estequiometria e a altura média de ancoramento da chama. Os valores de RMS da fluorescência de OH indicam a flutuação da frente de chama, tanto na posição quanto na intensidade. Uma análise do tensor de Reynolds do escoamento é realizada à luz da hipótese de Boussinesq, ou seja, é investigada a pertinência do mecanismo de conexão entre a taxa de deformação média do escoamento e as tensões de Reynolds, a fim de examinar o desvio em relação à isotropia da turbulência. Os resultados dos casos reativos são semelhantes aos inertes. Assim sendo, a hipótese de Boussinesq parece ser aplicável nos casos em que o escoamento é dominado pelo jato, mas não quando ocorre interrupção deste na região de esteira. Os resultados apresentados contribuem para formação de um banco de dados que possibilitará a validação de novos modelos computacionais destinados a realização de simulações numéricas, visando a otimizar a combustão e propiciar a construção de queimadores mais eficientes que possibilitem a economia de combustível e a diminuição nas emissões de poluentes e material particulado. / [en] Turbulent non-premixed flames stabilized on a bluff-body burner are studied. This burner is representative of industrial furnace applications, provides ample optical access, allowing for the required conditions to perform a detailed combustion study in turbulent flowfield. Measurements of the fluorescence luminosity emitted by OH radical and the velocity field are achieved applying, Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) and Particle Image Velocimetry (PIV) techniques, respectively. An uncertainty analysis is presented considering specifically the reactive case, which yields experimental uncertainties associated to the PIV and PLIF techniques of 6 per cent and 25 per cent, respectively. The study of two chemically inert cases, the first dominated by jet and the second dominated by wake, supports the uncertainty calculations and the flowfield structure analysis. Subsequently, several combustion regimes using Natural Gas and air are studied. The flame front characteristics and flowfield structures are analyzed using the OH fluorescence distribution and measured velocity field. The mean images allow the determination of the flame stabilization position in the flowfield, and also indicate the stoichiometry surface and the mean lift-off height. The RMS values of fluorescence signal quantify the flame front fluctuation, both in position and intensity. The measured components of the Reynolds stress tensor are analyzed with respect to the Boussinesq hypothesis, i.e., the relation between mean strain rate and Reynolds stress tensor, in order to examine the tensor deviation from the isotropy. The Boussinesq hypothesis seems to be valid in cases where the jet is dominant and not valid when jet bursts in the wake region. The presented results are the first step towards the construction of a database to validate computational models aimed at optimizing the combustion process and designing more efficient burners.

[pt] Atualmente, vem ocorrendo um notável aumento de investimentos no setor de gás natural no Brasil. A utilização do gás natural para a geração de energia tem importantes atrativos como, por exemplo, a diversidade de oferta do gás e sua queima mais limpa em relação a outros combustíveis fósseis. Existe um crescente interesse em projetos, idéias e opções alternativas para melhorar a performance e reduzir as descargas poluentes de equipamentos de combustão industrial para o meio ambiente. A necessidade de processos mais eficientes e menos poluentes tem acelerado a busca por desenvolvimento tecnológico. No projeto desenvolvido, foi investigada a performance de um modelo baseado na formulação de volumes finitos, incluindo o modelo k-e de turbulência, o modelo generalizado de taxas finitas de Arrhenius e Magnussen para o cálculo das reações químicas, e o modelo de radiação por transferência discreta, para simular o processo de combustão em fornalhas industriais através da utilização do pacote comercial Fluent (versão 4.4). O principal objetivo do estudo foi o de investigar a performance deste modelo em simular a combustão e prever a formação de NO e CO em chamas industriais de gás natural através da comparação com dados experimentais. Para a simulação da combustão foram testados dois modelos, o primeiro correspondendo a uma única reação global de oxidação do metano (1 etapa), e o segundo composto por duas reações (2 etapas). Uma sensível evolução foi obtida empregando-se o modelo em duas etapas em comparação com o em uma etapa. Para a simulação da formação de NO foram testados sete casos diferentes. Nestes casos, foram principalmente investigados os mecanismos - thermal NOx -,- prompt NOx - e o método PDF para a representação da interação química- turbulência. Percebeu-se que o método PDF permitiu uma evolução na predição da formação de NO na fornalha. Além disso, o - prompt NOx - foi o mecanismo dominante e portanto faz-se necessária uma investigação mais aprofundada sobre as características desse mecanismo para melhores resultados na predição de NO. Apesar da evolução dos modelos empregados e de seus resultados durante o trabalho, são necessárias novas investigações para detectar possíveis melhorias em tais modelos que possibilitem previsões mais realistas para a formação de NO. / [en] Nowadays, a strong raise in investments is occurring in the natural gas segment in Brazil. The natural gas application for energy generation is very attractive due to many reasons, like the offering diversity and the cleaner burning in comparison with other fossil combustibles. There is an increasing interest in projects, ideas and alternative options for the improvement of the performance and reducing the pollutants discharges of industrial combustion equipments to the environment. The need for more efficient and less polluters processes has accelerated the search for technological development. In the present work, it was investigated the performance of a model based in the finite volume formulation including the k-e model of turbulence, the generalized finite rate model of Arrhenius and Magnussen for the chemical reactions calculations, and the discrete transfer radiation model for simulating the combustion processes in natural gas industrial flames using the commercial code Fluent (version 4.4). The main goal of the inquiry was to investigate the performance of such modeling approach in predicting NO and CO formation inside the furnace by the comparison with the experimental data. For the combustion modeling, two mechanisms were simulated. The first corresponding to an unique global reaction for the oxidation of methane (1 step), and the second corresponding to two reactions (2 steps). An evident evolution was obtained using the two steps model. Seven different cases were tested to predict the NO formation. In these cases, the main investigations were concentrated on the mechanisms -thermal NOx-, -prompt NOx- and on the PDF method for representing the interaction between chemistry and turbulence. The PDF method improved the prediction for the NO formation within the furnace. The -prompt NOx- was the dominating mechanism and therefore it is necessary a deeper investigation on the characteristics of this mechanism for better results in estimating the NO concentrations. Although the models, mechanisms and results have improved along the present research, new investigations are necessary for more accurated predictions for the NO formation. / [es] Atualmente, ha ocurrido un notable aumento de inversiones en el sector de gas natural en Brasil. La utilización del gas natural para la generación de energía tiene importantes atractivos como, por ejemplo, la diversidad de oferta del gas y su quema más limpia en relación a otros combustibles fósiles. Existe un cresciente intereés en proyectos, ideas y opciones alternativass para mejorar la calidad y reducir las descargas poluentes de equipos de combustión industrial para el medio ambiente. La necesidad de procesos más eficientes y menos poluentes ha acelerado la búsqueda del desarrollo tecnológico. En el proyecto desarrollado, se investigó la performance de un modelo basado en la formulación de volumes finitos, incluyendo el modelo k-e de turbulencia, el modelo generalizado de tasas finitas de Arrhenius y Magnusen para el cálculo de las reacciones químicas, y el modelo de radiación por transferencia discreta, para simular el proceso de combustión en hornos industriales a través de la utilización del software comercial Fluent (versión 4.4). El objetivo principal de este estudio fue el de investigar la performance de este modelo al simular la combustión y preveer la formación de NO y CO en llamas industriales de gas natural a través de la comparación con datos experimentales. Para la simulación de la combustión se provaron dos modelos, el primeiro corresponde a una única reacción global de oxidación del metano (1 etapa), y el segundo compuesto por dos reacciones (2 etapas). Se obtiene una sensible evolución al utilizar el modelo en dos etapas envés del modelo con una etapa. Para la simulación de la formación de NO se probaron siete casos diferentes. En estos casos, se ivestigaron principalmente los mecanismos - thermal NOx -,- prompt NOx - y el método PDF para la representación de la interacción química-turbulencia. Se observa que el método PDF permite una evolución en la predicción de la formación de NO en el horno. Además, el - prompt NOx - fue el mecanismo dominante y por lo tanto se hace necesario una investigación más profunda sobre las características de ese mecanismo para mejorar los resultados en la predición de NO. A pesar de la evolución de los modelos empleados y de sus resultados durante el trabajo, se necesitan nuevas investigaciones para detectar posibles mejorías que hagan posible previsiones más realistas para la formación de NO.

[pt] O presente trabalho apresenta um estudo comparativo do desempenho, em banco de provas, de um motor multicombustível do ciclo Otto equipado com um sistema de injeção eletrônica programável, funcionando com etanol hidratado e etanol anidro. Para tanto, foram obtidos resultados de parâmetros de desempenho com esses dois combustíveis, em diferentes condições de operação. A partir dos resultados de pressão, adquiridos por um sensor instalado em um dos cilindros do motor, foram calculados, entre outros, o calor liberado, a taxa de liberação de calor, a fração de massa queimada e a duração da combustão. Os ensaios ocorreram em três condições operacionais do motor multicombustível: potência máxima, torque máximo e em uma condição representativa de velocidade de cruzeiro do motor. Devido à possibilidade de se variar livremente alguns parâmetros normalmente fixos em um motor com um sistema de injeção eletrônica de combustível convencional foi possível otimizar o torque do motor para cada combustível e nas condições operacionais escolhidas, no que se refere ao avanço de ignição e à relação ar-combustível. Dessa forma, pôde-se simular os efeitos da utilização do etanol anidro em motor calibrado para o etanol hidratado. Os resultados mostram os efeitos da variação do conteúdo de água no etanol, bem como a influência da relação ar-combustível e do avanço de ignição sobre o desempenho e a combustão em motor multicombustível. São apresentadas ainda correlações entre as variáveis de desempenho medidas e os parâmetros de combustão calculados, bem como comparações com resultados de desempenho obtidos em veículos multicombustível. / [en] The present work includes a comparative performance engine test bed study of a multifuel engine equipped with a programmable electronic central unit (ECU), fueled with anhydrous and hydrous ethanol. It is reported fuel consumption, power, torque and exhaust emissions with these two fuels for different operational points. Using pressure data, acquired by a sensor installed in one engine cylinder, it was possible to calculate heat release, rate of heat release, mass fraction burned, combustion duration and others, for selected cases. Tests occurred at three multifuel engine operational points: maximum power, maximum torque and one selected cruise condition. Due to the possibility of setting some parameters normally fixed in commercial engines, torque was optimized regarding spark advance and air fuel ratio, for all selected operational points. So, it was possible to simulate anhydrous ethanol usage in an engine calibrated to hydrous ethanol. Test results presented the effects of water ethanol content, air-fuel ratio and ignition advance influence on performance and combustion of a multifuel engine. Additionally, it is presented some correlations between performance measured and calculated and combustion parameters, as well as comparisons to multifuel vehicle results.