[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] O desenvolvimento de modelos computacionais para simulação de escoamentos reativos operando em regime de turbulencia requer a soluçao das equações diferenciais parciais que representam os balanços de massa, quantidade de movimento linear, espécies químicas e energia. Além disso, as reações químicas do modelo necessitam de um mecanismo cinético detalhado para descrição dos fenomenos físico-químicos associados. Um dos maiores desafios encontrados é a rigidez da simulação numérica desses modelos e a natureza não linear do termo de produção das espécies químicas. Esta dissertação apresenta uma revisão das principais técnicas disponíveis na literatura para o desenvolvimento de modelos reduzidos de cinética química, em particular para a combustão, bem como de técnicas para solução eficiente dos modelos de escoamentos reativos. Após uma apresentação da formulação matemática associada, a metodologia denominada tabulação adaptativa in situ (ISAT) é implementada e avaliada quanto a sua acurácia, eficiencia e uso de memória na simulação de alguns modelos de reator homogeneo agitado. Avalia-se a combustão de misturas de monóxido de carbono/oxigenio e metano/ar cujos mecanismos cinéticos tem 4 e 53 espécies, 3 and 325 reações respectivamente. Os resultados destassimulações indicam que a presente implementação da técnica ISAT tem erro relativo global inferior a 1%. Além disso, a técnica ISAT propiciou ganhos, em termos de tempo computacional, de at´e 80% quando comparado a simulação direta da cinética detalhada. Entretanto, em termos de utilização da memória, a implementação desenvolvida da técnica ISAT se mostrou excessivamente exigente. / [en] The development of computational models for the numerical simulation of chemically reacting flows operating in the turbulent regime requires the solution of partial differential equations that represent the balance of mass, linear momentum, chemical species and energy. Moreover, the chemical reactions of the model may require a detailed reaction mechanism for the description of the physicochemical phenomena involved. One of the biggest challenges is the stiffness of the numerical simulation of these models and the nonlinear nature of species rate of reaction. This dissertation presents an overview of the main techniques available in the literature for the development of reduced models of chemical kinetics, particularly for the combustion, as well as the techniques for efficient computation of the chemically reacting flows models. After a presentation of the associated mathematical formulation, the methodology dubbed in situ adaptive tabulation (ISAT) is implemented and its accuracy, efficiency and memory usage are evaluated in the simulation of homogeneous stirred reactor models. The combustion of carbon monoxide with oxygen and methane with air mixtures is considered, which detailed reaction mechanisms involve 4 and 53 species, 3 and 325 reactions respectively. The results of these simulations indicate that the development implementation of the ISAT technique has a absolute global error of less than 1%. Moreover, the ISAT technique provided gains, in terms of computational time, of up to 80% when compared to the direct integration of the full chemical kinetics. However, in terms of memory usage the present implementation of ISAT technique was found to be excessively demanding.