[pt] Uma metodologia híbrida envolvendo simulação de grandes escalas e função densidade probabilidade transportada (LES-PDF) é desenvolvida para realizar simulações de escoamentos turbulentos reativos a baixo número de Mach. Equações de transporte de massa, da quantidade de movimento e de um escalar são resolvidas em conjunto com uma equação de estado no contexto do método LES. A modelagem da turbulência é realizada pelo modelo clássico de Smagorinsky e a taxa de produção química é representada pela lei de Arrhenius, para reação de combustão única, global e irreversível. As equações de transporte são discretizadas no espaço e no tempo mediante o uso de esquemas de segunda ordem, sobre malhas cartesianas uniformes, no âmbito do método dos volumes finitos. Os efeitos da turbulência sobre a combustão na escala sub-filtro são determinados por uma abordagem lagrangeana da PDF, a qual faz uso da técnica de Monte Carlo: equações diferenciais estocásticas (SDE), equivalentes a equação de Fokker-Plank, são utilizadas para a variável de progresso da reação química. LES e PDF evoluem simultaneamente, trocando informações a cada passo de integração no tempo, de modo que o campo de velocidade filtrado, a freqüência turbulenta e o coeficiente de difusão são fornecidos por LES, enquanto o modelo PDF retorna a taxa de reação química filtrada. Devido ao elevado número de partículas empregado no modelo PDF, a paralelização do programa lagrangeano é realizada, com base na estratégia de decomposição de domínios, implementada no programa euleriano. O modelo final é usado para simular uma configuração experimental que consiste de uma chama de metano e ar, estabilizada entre escoamentos paralelos de gases queimados e gases frescos em um canal de seção transversal quadrada constante. Uma comparação detalhada entre os resultados obtidos e os dados experimentais é realizada. / [en] A hybrid Large Eddy Simulation / transported Probability Density Function (LES-PDF) computational model is developed to perform the numerical simulation of variable-density low Mach number turbulent reactive flows. Transport equations for mass, momentum, and scalars are solved together with an equation of state within the LES framework. Turbulence is modeled using the classical Smagorinsky closure whereas chemical reaction is first addressed thanks to a global single-step chemistry scheme. The governing equations are discretized using second order accuracy spatial and temporal approximations applied to uniform Cartesian meshes within a finite volume framework. The effects of subgrid scale (SGS) turbulence on the combustion processes are accounted for by means of a Lagrangian transported PDF model which is coupled with the LES solver. The PDF model relies on the use of a Monte Carlo technique: Stochastic Differential Equations (SDE), equivalent to the Fokker- Planck equations are considered for the progress variable. LES and PDF models are solved simultaneously, exchanging information at each integration time step, the velocity field, turbulence frequency and diffusion coefficient being provided by LES, whereas the PDF model returns the filtered chemical reaction rate. Parallelization of the Lagrangian solver has been performed based on the domain decomposition strategy, the same strategy being already implemented for the eulerian LES solver. The resulting computational model is used to perform the simulation of an experimental test case consisting of a CH4-air flame established between two streams of fresh and burnt pilot gases in a constant area square cross section channel. The accuracy of the numerical solutions provided by the hybrid LESPDF approach is assessed by detailed comparisons with experimental data.

[pt] Entender o processo de produção de fuligem é crucial para o projeto de novos queimadores, como os de fornos industriais. Estes queimadores, que utilizam processos de combustão turbulenta, dependem de transferência de calor via radiação das partículas de fuligem para as paredes do forno para seu bom funcionamento. A fuligem formada na região de radiação deve ser oxidada para evitar problemas de saúde e meio ambiente. Mesmo tendo havido significativo progresso no decorrer das duas últimas décadas em relação às chamas laminares, a interação entre a turbulência e a produção de fuligem ainda é um problema em aberto. Este trabalho apresenta resultados experimentais recentes da distribuição instantânea e média da distribuição de fuligem em chamas turbulentas de etileno/ar não prémisturadas estabilizadas em um queimador do tipo bluff-body. A intensidade de turbulência na região de esteira deste queimador é muito alta, levando a uma presença de fuligem intermitente e a estruturas de fuligem altamente distorcidas. A distribuição de fuligem é medida usando incandescência induzida por laser (LII), com uma excitação em 266 nm a 10 Hz e fluência de 0,8 J/cm2 e medição em 400 nm por uma câmera intensificada. Os resultados da técnica LII são comparados à técnica clássica de extinção da luz. Resultados da distribuição de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos também são apresentados. Os resultados obtidos permitem caracterizar a distribuição da função de densidade de probabilidade de fuligem. Nas situações de escoamento onde a turbulência da esteira é controlada pelo escoamento de ar, demonstra-se que a PDF da fração volumétrica de fuligem corresponde a uma distribuição lognormal. / [en] Understanding the soot production process is crucial to the design of new burners, such as those in industrial furnaces. Indeed, these burners, which use turbulent combustion processes, rely on radiative heat transfer from the soot particles to the furnace walls to operate properly. The soot formed within the radiation region must the be oxidized in order to avoid health and environment issues. Although there has been significant progress over the past two decades in relation to laminar flames, the interaction between turbulence and soot production is still an open problem. This works presents recent experimental results of the instantaneous and mean soot distribution on non-premixed turbulent ethylene/air flames stabilized at a bluff-body burner. The turbulence intensity in the wake region of this burner is very high, leading to a soot intermittent presence and to highly distorted soot structures. The soot distribution is measured using laserinduced incandescence (LII), with 266 nm excitation at 10 Hz, 0.8 J/cm2 fluence and collected at 400 nm by an intensified camera. The results of the LII technique are compared to those of a classical of light extinction technique. Polyciclic aromatic hydrocarbon distribution results are also presented. The results obtained allow to characterize the soot probability density function distribution. In flow situations where the wake turbulence is controlled by the air flow, the soot volume fraction PDF is shown to correspond to a lognormal distribution.

[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] O presente trabalho apresenta um estudo numérico da transferência de energia por radiação e sua interação com as propriedades radiantes cinzas e espectrais dos gases produtos da combustão e da fuligem que são formados em um processo de combustão turbulenta. Assim, utilizam-se sistemas de forno/- queimador que operam em regime de chama não pré-misturada de maneira a avaliar, através da dinâmica dos fluidos computacional (CFD), a influência que exercem os diversos modelos de propriedades radiantes sobre a representação da termoquímica do escoamento reativo. Com o objetivo de identificar as principais características e deficiências que apresentam cada um destes modelos, foram considerados dois cenários. O primeiro, correspondente a um problema de radiação unidimensional de um sistema homogêneo e não isotérmico onde são estudados, modelos de propriedades radiantes (i) disponíveis em um software comercial de CFD e (ii) aqueles que foram implementados neste trabalho. Além disso, foi empregado um código numérico que determina as propriedades radiantes espectrais de gases produtos da combustão e da fuligem através de uma abordagem de banda estreita. Para este fim, este código foi acoplado com o software de CFD. Em seguida, dois queimadores de porte laboratorial são empregados de forma a avaliar a capacidade preditiva dos modelos de propriedades radiantes: o primeiro queima propano gasoso e ar enriquecido com oxigênio e o segundo utiliza querosene líquido e oxigênio como reagentes. Dados experimentais de fluxo de calor radiante e de fração volumétrica da fuligem são utilizados para comparação com os resultados obtidos da simulação. Para ambas as configurações de queimador foi também estudado o modelo de Moss-Brookes para previsão da formação/consumo da fuligem. Os resultados obtidos demonstraram o bom desempenho da maioria dos modelos de propriedades radiantes estudados. Em particular, a abordagem de banda estreita foi o que melhor previu a radiação térmica. Além disso, a sua utilização com o modelo de Moss-Brookes levou à melhor previsão da fração volumétrica da fuligem. / [en] This work presents a numerical study of radiation heat transfer and its interaction with gray and spectral radiation of combustion products and soot that are formed in a turbulent combustion process. Different burner/furnace systems operating in a non-premixed combustion regime were used in order to evaluate, through computational fluid dynamics (CFD), the influence of several radiant properties models. Aiming to identify the key features and shortcomings that exhibit each of these models, two scenarios were considered. The first corresponds to a 1-D radiation problem where radiative properties models of a homogeneous non isothermal system are studied as (i) available CFD commercial software and (ii) those implemented in this work. Moreover, a numerical code was used in order to determine, through a narrow band approach, the spectral radiative properties of soot and combustion products. For this purpose, this code was coupled with the CFD software. Then, two laboratory-scale burners are used to assess the predictive capacity of radiative properties models: the first, burning propane and enriched air oxygen, and the second uses kerosene and oxygen as reactants. Measurements of radiant heat flux and soot volumetric fraction are used for comparison with simulation results. For both configurations, the performance of the Moss-Brookes model for predicting the soot production was also studied. The results of this study demonstrated the good performance of the majority of the radiant properties models studied. Particularly, the narrow band approach was the model that provided the best thermal radiation prediction. Moreover, the combination of the narrow band approach with the Moss-Brookes model lead to the best prediction of soot volume fraction.