Neste trabalho apresenta-se um estudo numérico de uma chama difusiva. Os resultados numéricos são validados com resultados analíticos e experimentais disponíveis na literatura. Com o intuito de obter uma solução de modo simples e com baixo esforço computacional, adotamos o método de diferenças finitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing) baseado na formulação incompressível das equações reativas de Navier- Stokes, considerando-se um domínio retangular e condiçoes de contornos dos tipos Dirichlet e Neumann. Para a comparação dos resultados foram apresentadas a fração de mistura (combustível-ar), frações mássicas dos reagentes (combustível, oxigênio), frações mássicas dos produtos (dióxido de carbono e vapor d' água) e temperatura. / This work presents a numerical study of a diffusive fiame. The numerical results are validated with analytic values and experimental data found in the literature. ln order to obtain a simpIe and with low computational cost solution, the finite difference based on a non oscillatory TVD, Total Variation Diminishing, scheme with the incompressible formulation, for the reacting Navier-Stokes equations, is solved in a rectangular domain with Dirichlet and Neumann boundary conditions. To compare the results, the mixture fraction, the mass fractions of reactants and products and the temperature are shown.

Neste trabalho apresenta-se um estudo numérico de uma chama difusiva. Os resultados numéricos são validados com resultados analíticos e experimentais disponíveis na literatura. Com o intuito de obter uma solução de modo simples e com baixo esforço computacional, adotamos o método de diferenças finitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing) baseado na formulação incompressível das equações reativas de Navier- Stokes, considerando-se um domínio retangular e condiçoes de contornos dos tipos Dirichlet e Neumann. Para a comparação dos resultados foram apresentadas a fração de mistura (combustível-ar), frações mássicas dos reagentes (combustível, oxigênio), frações mássicas dos produtos (dióxido de carbono e vapor d' água) e temperatura. / This work presents a numerical study of a diffusive fiame. The numerical results are validated with analytic values and experimental data found in the literature. ln order to obtain a simpIe and with low computational cost solution, the finite difference based on a non oscillatory TVD, Total Variation Diminishing, scheme with the incompressible formulation, for the reacting Navier-Stokes equations, is solved in a rectangular domain with Dirichlet and Neumann boundary conditions. To compare the results, the mixture fraction, the mass fractions of reactants and products and the temperature are shown.

Neste trabalho apresenta-se um estudo numérico de uma chama difusiva. Os resultados numéricos são validados com resultados analíticos e experimentais disponíveis na literatura. Com o intuito de obter uma solução de modo simples e com baixo esforço computacional, adotamos o método de diferenças finitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing) baseado na formulação incompressível das equações reativas de Navier- Stokes, considerando-se um domínio retangular e condiçoes de contornos dos tipos Dirichlet e Neumann. Para a comparação dos resultados foram apresentadas a fração de mistura (combustível-ar), frações mássicas dos reagentes (combustível, oxigênio), frações mássicas dos produtos (dióxido de carbono e vapor d' água) e temperatura. / This work presents a numerical study of a diffusive fiame. The numerical results are validated with analytic values and experimental data found in the literature. ln order to obtain a simpIe and with low computational cost solution, the finite difference based on a non oscillatory TVD, Total Variation Diminishing, scheme with the incompressible formulation, for the reacting Navier-Stokes equations, is solved in a rectangular domain with Dirichlet and Neumann boundary conditions. To compare the results, the mixture fraction, the mass fractions of reactants and products and the temperature are shown.

Neste trabalho apresenta-se um estudo analítico e numérico de uma chama difusiva turbulenta de metano. Sob a hipótese de baixo número de Mach, desenvolve-se as equações de balanço das espécies químicas (oxigênio, combustível, dióxido de carbono, vapor d'água), fração de mistura, temperatura e quantidade de movimento. Usa-se o modelo Flamelet para desenvolver o trabalho com uma chama difusiva turbulenta. Soluções analíticas são desenvolvidas pela autora, de modo a compreender os mecanismos não lineares existentes e validar a solução numérica. A Simulação em Grandes Escalas (LES) é requisitada para representar o uxo turbulento. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças nitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing), considerando um domínio tridimensional do tipo paralelepípedo, com condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Os resultados analítico e numérico da temperatura, fração de mistura e fração de massa das espécies são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. / This work presents an analytical-numerical study of a turbulent di usion ame of methane. The low Mach number ow hypothesis is assumed, to develop the balance equation of the chemical species (oxygen, fuel, carbon dioxide, water vapour), mixture fraction, temperature and momentum. The Flamelet model is employed to model the turbulent di usive ame. Analytical solutions are developed by the author, to understand the mechanisms of the nonlinear e ects and to validate the numerical solution. The Large Eddy Simulation (LES) is used to capture the turbulent ow. In the numerical simulation, the nite di erence method based on a non oscillatory TVD, Total Variational Diminishing scheme, assuming a three-dimensional parallelopiped domain, with Dirichlet and Neumann boundary conditions, is adopted. The analytical and numerical results for the temperature, mass fraction and mixture fraction are compared with experimental data in the literature.

Neste trabalho apresenta-se um estudo analítico e numérico de uma chama difusiva turbulenta de metano. Sob a hipótese de baixo número de Mach, desenvolve-se as equações de balanço das espécies químicas (oxigênio, combustível, dióxido de carbono, vapor d'água), fração de mistura, temperatura e quantidade de movimento. Usa-se o modelo Flamelet para desenvolver o trabalho com uma chama difusiva turbulenta. Soluções analíticas são desenvolvidas pela autora, de modo a compreender os mecanismos não lineares existentes e validar a solução numérica. A Simulação em Grandes Escalas (LES) é requisitada para representar o uxo turbulento. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças nitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing), considerando um domínio tridimensional do tipo paralelepípedo, com condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Os resultados analítico e numérico da temperatura, fração de mistura e fração de massa das espécies são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. / This work presents an analytical-numerical study of a turbulent di usion ame of methane. The low Mach number ow hypothesis is assumed, to develop the balance equation of the chemical species (oxygen, fuel, carbon dioxide, water vapour), mixture fraction, temperature and momentum. The Flamelet model is employed to model the turbulent di usive ame. Analytical solutions are developed by the author, to understand the mechanisms of the nonlinear e ects and to validate the numerical solution. The Large Eddy Simulation (LES) is used to capture the turbulent ow. In the numerical simulation, the nite di erence method based on a non oscillatory TVD, Total Variational Diminishing scheme, assuming a three-dimensional parallelopiped domain, with Dirichlet and Neumann boundary conditions, is adopted. The analytical and numerical results for the temperature, mass fraction and mixture fraction are compared with experimental data in the literature.

Neste trabalho apresenta-se um estudo analítico e numérico de uma chama difusiva turbulenta de metano. Sob a hipótese de baixo número de Mach, desenvolve-se as equações de balanço das espécies químicas (oxigênio, combustível, dióxido de carbono, vapor d'água), fração de mistura, temperatura e quantidade de movimento. Usa-se o modelo Flamelet para desenvolver o trabalho com uma chama difusiva turbulenta. Soluções analíticas são desenvolvidas pela autora, de modo a compreender os mecanismos não lineares existentes e validar a solução numérica. A Simulação em Grandes Escalas (LES) é requisitada para representar o uxo turbulento. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças nitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing), considerando um domínio tridimensional do tipo paralelepípedo, com condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Os resultados analítico e numérico da temperatura, fração de mistura e fração de massa das espécies são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. / This work presents an analytical-numerical study of a turbulent di usion ame of methane. The low Mach number ow hypothesis is assumed, to develop the balance equation of the chemical species (oxygen, fuel, carbon dioxide, water vapour), mixture fraction, temperature and momentum. The Flamelet model is employed to model the turbulent di usive ame. Analytical solutions are developed by the author, to understand the mechanisms of the nonlinear e ects and to validate the numerical solution. The Large Eddy Simulation (LES) is used to capture the turbulent ow. In the numerical simulation, the nite di erence method based on a non oscillatory TVD, Total Variational Diminishing scheme, assuming a three-dimensional parallelopiped domain, with Dirichlet and Neumann boundary conditions, is adopted. The analytical and numerical results for the temperature, mass fraction and mixture fraction are compared with experimental data in the literature.

Neste trabalho, desenvolvem-se mecanismos esqueletos e mecanismos cinéticos reduzidos para chamas difusivas de etileno e de propano. A obtenção desses mecanismos segue as hipóteses da redução sistemática, que consiste em aplicar as hipóteses de regime permanente e de equilíbrio parcial nas reações do mecanismo detalhado. Aplicando as hipóteses de equilíbrio parcial, chega-se a um mecanismo esqueleto para o etileno e um para o propano. Esses mecanismos são verificados através dos solvers DASSL (Differential/Algebraic Systems Solver ) e VODE (Variable-Coefficient ODE Solver ), e os resultados são apresentados em termos da fração mássica no espaço da fração de mistura. Os resultados para o propano são comparados com os do mecanismo detalhado e os resultados para o etileno são comparados com o mecanismo global. Tais resultados estão de acordo com os dados encontrados na literatura. Os mecanismos cinéticos reduzidos para o etileno e o propano são obtidos aplicando as hipóteses de regime permanente em algumas espécies nos mecanismos esqueletos. Desta forma, chega-se a um mecanismo cinético reduzido de quatro etapas para o etileno e um de nove etapas para o propano. Esses mecanismos reduzidos são justificados através da análise assintótica. / This work develops skeleton mechanisms and reduced kinetic mechanisms for ethylene and propane diffusion flames. The reduction of these mechanisms follows the hypotheses of systematic reduction, which consists in applying the assumptions of steady state and partial equilibrium to the reactions of the detailed mechanism. Applying the partial equilibrium hypotheses, one obtains a skeleton mechanism for ethylene and for propane. These mechanisms are verified through solvers DASSL (Differential/Algebraic Systems Solver) and VODE (Variable-Coefficient ODE Sol- ver), and the results are presented in terms of mass fraction in the mixture fraction space. The results for propane are compared with the detailed mechanism and those for ethylene are compared with the global mechanism. These results are in good agreement with data found in the literature. The reduced kinetic mechanisms for ethylene and for propane are obtained by applying the assumptions of steady state for some species of the skeleton mechanisms. In this way, it is obtained a reduced kinetic mechanism of four steps for ethylene and of nine steps for propane. These reduced mechanisms were justified by asymptotic analysis.

Neste trabalho, desenvolvem-se mecanismos esqueletos e mecanismos cinéticos reduzidos para chamas difusivas de etileno e de propano. A obtenção desses mecanismos segue as hipóteses da redução sistemática, que consiste em aplicar as hipóteses de regime permanente e de equilíbrio parcial nas reações do mecanismo detalhado. Aplicando as hipóteses de equilíbrio parcial, chega-se a um mecanismo esqueleto para o etileno e um para o propano. Esses mecanismos são verificados através dos solvers DASSL (Differential/Algebraic Systems Solver ) e VODE (Variable-Coefficient ODE Solver ), e os resultados são apresentados em termos da fração mássica no espaço da fração de mistura. Os resultados para o propano são comparados com os do mecanismo detalhado e os resultados para o etileno são comparados com o mecanismo global. Tais resultados estão de acordo com os dados encontrados na literatura. Os mecanismos cinéticos reduzidos para o etileno e o propano são obtidos aplicando as hipóteses de regime permanente em algumas espécies nos mecanismos esqueletos. Desta forma, chega-se a um mecanismo cinético reduzido de quatro etapas para o etileno e um de nove etapas para o propano. Esses mecanismos reduzidos são justificados através da análise assintótica. / This work develops skeleton mechanisms and reduced kinetic mechanisms for ethylene and propane diffusion flames. The reduction of these mechanisms follows the hypotheses of systematic reduction, which consists in applying the assumptions of steady state and partial equilibrium to the reactions of the detailed mechanism. Applying the partial equilibrium hypotheses, one obtains a skeleton mechanism for ethylene and for propane. These mechanisms are verified through solvers DASSL (Differential/Algebraic Systems Solver) and VODE (Variable-Coefficient ODE Sol- ver), and the results are presented in terms of mass fraction in the mixture fraction space. The results for propane are compared with the detailed mechanism and those for ethylene are compared with the global mechanism. These results are in good agreement with data found in the literature. The reduced kinetic mechanisms for ethylene and for propane are obtained by applying the assumptions of steady state for some species of the skeleton mechanisms. In this way, it is obtained a reduced kinetic mechanism of four steps for ethylene and of nine steps for propane. These reduced mechanisms were justified by asymptotic analysis.

Neste trabalho, desenvolvem-se mecanismos esqueletos e mecanismos cinéticos reduzidos para chamas difusivas de etileno e de propano. A obtenção desses mecanismos segue as hipóteses da redução sistemática, que consiste em aplicar as hipóteses de regime permanente e de equilíbrio parcial nas reações do mecanismo detalhado. Aplicando as hipóteses de equilíbrio parcial, chega-se a um mecanismo esqueleto para o etileno e um para o propano. Esses mecanismos são verificados através dos solvers DASSL (Differential/Algebraic Systems Solver ) e VODE (Variable-Coefficient ODE Solver ), e os resultados são apresentados em termos da fração mássica no espaço da fração de mistura. Os resultados para o propano são comparados com os do mecanismo detalhado e os resultados para o etileno são comparados com o mecanismo global. Tais resultados estão de acordo com os dados encontrados na literatura. Os mecanismos cinéticos reduzidos para o etileno e o propano são obtidos aplicando as hipóteses de regime permanente em algumas espécies nos mecanismos esqueletos. Desta forma, chega-se a um mecanismo cinético reduzido de quatro etapas para o etileno e um de nove etapas para o propano. Esses mecanismos reduzidos são justificados através da análise assintótica. / This work develops skeleton mechanisms and reduced kinetic mechanisms for ethylene and propane diffusion flames. The reduction of these mechanisms follows the hypotheses of systematic reduction, which consists in applying the assumptions of steady state and partial equilibrium to the reactions of the detailed mechanism. Applying the partial equilibrium hypotheses, one obtains a skeleton mechanism for ethylene and for propane. These mechanisms are verified through solvers DASSL (Differential/Algebraic Systems Solver) and VODE (Variable-Coefficient ODE Sol- ver), and the results are presented in terms of mass fraction in the mixture fraction space. The results for propane are compared with the detailed mechanism and those for ethylene are compared with the global mechanism. These results are in good agreement with data found in the literature. The reduced kinetic mechanisms for ethylene and for propane are obtained by applying the assumptions of steady state for some species of the skeleton mechanisms. In this way, it is obtained a reduced kinetic mechanism of four steps for ethylene and of nine steps for propane. These reduced mechanisms were justified by asymptotic analysis.

O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma metodologia capaz de descrever o fenômeno de combustão em escoamentos turbulentos. Para atingir este objetivo, é feita uma revisão bibliográfica sobre as principais técnicas de estabilização de chamas difusivas uma vez que a turbulência, normalmente, torna chamas deste tipo instáveis. Seguindo o critério de maior aplicabilidade prática foram escolhidas, dentre as técnicas de estabilização na camada de mistura, estabilização através do uso de chamas triplas, através da auto-ignição, da modificação da geometria da câmara, da rotação dos reagentes, do uso de chamas Pilot, do uso de faíscas elétricas e do uso de atuadores de plasma, duas para serem simuladas numericamente. As técnicas escolhidas para simulação utilizam rotação dos reagentes e chamas Pilot para estabilização de uma chama de metano/ar no interior de uma câmara de combustão retangular. Estas duas técnicas são consideradas as mais representativas dentre as demais técnicas apresentadas. A introdução ao assunto é feita através da dedução das equações governantes para a combustão. Utiliza-se a teoria de Semenov para determinar os principais parâmetros de ignição de uma chama e então são apresentadas as oito técnicas de estabilização, consideradas mais relevantes, e suas principais características com relação ao mecanismo de estabilização que cada uma utiliza. Descreve-se a forma de discretização e de implementação numérica das equações governantes do problema. Devido ao caráter turbulento do escoamento, faz-se uso da técnica de simulação de grandes escalas (LES) através do método de discretização em diferenças finitas, considerando um domínio tridimensional. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com dados experimentais presentes na literatura. / The principal objective of this work is to develop a method capable to describe the phenomenon of combustion in turbulent flows. To achieve this goal, a review on the main diffusion flame stabilization techniques is made because the turbulence normally turns such flames unstable. According to the criterium of practical applications it was chosen, among eight techniques, only two to be simulated numerically. The techniques chosen were the swirl and the pilot flames to stabilize the flame of methane/air in a rectangular combustion chamber. These two techniques are considered the most representative among the other presented. The introduction to the subject is made through the deduction of the governing equations for combustion. We use the theory of Semenov to determine the main ignition parameters of a flame and introduce eight of the most relevant stabilization techniques and their main characteristics, with respect to the mechanism of stabilization that each one uses. We describe the discretization process and the num.erical implementation of the governing equations of the problem. Due to the turbulent nature of the flow, we make use of the large eddy simulation technique (LES) with the discretization based on the finite differences method over a three-dimensional domain. The results show good agreement with experimental data found in the literature.