A compreensão dos mecanismos de estabilidade de chamas é de extrema importância tanto para o projeto/dimensionamento de queimadores utilizados em fornos e fornalhas industriais, câmaras de combustão de turbinas a gás e flares; como para a substituição de combustíveis em queimadores existentes. Há um intervalo de condições (como velocidade de descarga do jato e concentração de combustível na mistura gasosa) na qual a combustão estável pode ser mantida, sendo limitada por dois fenômenos denominados como liftoff (descolamento da base da chama do bocal e posterior estabilização desta a certa distância do bocal) e blowout (desprendimento e extinção da chama). Por razões de segurança, operações próximas às condições em que o blowout pode ocorrer devem ser evitadas. Muitas teorias têm sido publicadas para descrever as características de liftoff e blowout de chamas de difusão turbulenta. Este trabalho apresenta algumas destas teorias, bem como as hipóteses assumidas e os processos físicos considerados responsáveis por estes fenômenos (liftoff e blowout). Correlações para a previsão da velocidade de blowout e resultados experimentais disponíveis na literatura também são apresentados. Uma nova correlação para a velocidade de blowout é proposta, a qual se baseia nos movimentos de grande escala observados em jatos turbulentos e no adimensional número de Damköhler (relação entre o tempo de cinética química e o tempo de mistura dos reagentes e destes com os produtos da reação). Comparações entre as previsões da correlação proposta com resultados experimentais e com previsões de outras correlações disponíveis na literatura foram realizadas, para diferentes combustíveis e diâmetros de bocais. A correlação proposta apresentou boa concordância com os resultados experimentais. A partir das análises desenvolvidas neste trabalho, verificou-se que a velocidade de blowout de chamas de difusão turbulenta é função das propriedades do combustível, das características do bocal, das condições do ambiente e do adimensional número de Damköhler. / The study of flame stability is very important to the design of burners used in industrial ovens and furnaces, combustion chambers of gas turbines and flares; and fuel substitution in burners. There is a range of conditions (for example gas velocity at the nozzle exit and jet fuel concentration in the gas mixture) at which stable combustion can be maintained, being limited by two phenomena called liftoff and blowout. Lift-off is the detachment of the flame from the fuel nozzle, and blowout its detachment and extinction. Operating conditions close to stability limits should be avoided for security reasons. Many theories have been published to describe the blowout and lifted characteristics of turbulent jet diffusion flames. This document presents some theories, as well as the assumptions and physical processes considered responsible for these phenomena (liftoff and blowout). Correlations for predicting the blowout velocity and experimental results available in the literature are also shown. A new correlation is proposed, which is based on large-scale motions observed in turbulent jets and the dimensionless Damköhler number (ratio of the characteristic chemical reaction time and the time associated with the mixing of reentrained hot products into fresh reactants). Comparisons between the predictions of the proposed correlation with experimental results and predictions of other correlations available in the literature were performed for different fuels and nozzle diameters. The proposed correlation showed good agreement with the experimental results. The analyses developed in this work allow us to conclude that the blowout velocity of the turbulent diffusion flame depends on the fuel properties, characteristics of the nozzle, the environmental conditions and the Damköhler number.

Orientador: João Andrade de Carvalho / Resumo: Application technologies based on the detonation cycle has proven a significant impact on the overall efficiency. However, detonation engines are not currently available on the markets due to the lack of physical and chemical knowledge of the detonation phenomenon. The present study aims to provide new insights by studying the pressure and velocity, the density gradient of the detonation wave, and the OH distribution on the reaction zone of hydrogen-air detonation. Three strategies were proposed to obtain repeatable detonation events. The strategies vary on the geometry of the obstacle and the amount of spark plug to ignite the mixture. Pressure and velocity were recorded to determine if the transition from deflagration to detonation is successful. To image the density gradient of the shock wave, the optical technique called Schlieren was adapted to the detonation test bench. The OH radical distribution was studied by the optical diagnostic technique called planar laser-induced fluorescence. The pressure trace results showed high peaks in the regimen of Chapman-Jouguet state for detonation, unlike fast flames. The velocity results showed a considerable influence of the obstacle geometry to enhance the velocity of the wave, although the repeatable detonation events and the steadiness of the velocity were not boosted. The third strategy proved that adding more energy to a transient detonation wave, enhanced the stability and the consistent production of detonation events. The S... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Esse trabalho compara análises modais, obtidas por dois métodos distintos, de propriedades de imagens de chamas de um forno industrial. Visto que a combustão de gases e líquidos é caracterizada pelo tipo de injeção de combustível, pela formação aleatória de vórtices e pela distribuição de reagentes, o exato sinal de excitação do sistema é, na prática, muito pouco conhecido, cabendo aos métodos de análise a identificação dos parâmetros modais sem essa informação. Para vencer este obstáculo, na presente dissertação foram utilizados o método de Ibrahim no Domínio do Tempo (ITDM) e o método Eigensystem Realization Algorithm (ERA) associados à técnica do decremento aleatório (Random Decrement - RandomDec). A técnica RandomDec permite a obtenção de um sinal proporcional ao decaimento livre do sistema, a partir de uma excitação aleatória. Essa proporcionalidade permite que os métodos no domínio do tempo citados anteriormente sejam empregados na obtenção das características de vibração do sistema. O estudo da dinâmica de chamas com base em propriedades de suas imagens é tema muito pouco abordado na literatura; por esse motivo, inicialmente foi realizado, por meio de simulações numéricas em um sistema hipotético, um completo teste de sensibilidade de todos os métodos e da técnica a serem implementados no problema real do forno industrial. Posteriormente, os dados de chamas foram utilizados para obtenção dos modos de vibrar das propriedades de imagens. Os resultados mostram que a modelagem realizada pelo ERA para sistema SIMO (single input and multiple output) fornece modos de vibrar com amortecimentos mais condizentes com a dinâmica da chama e, assim, sugerem que, em princípio, está técnica poderia ser utilizada prontamente na identificação desse tipo de sistema, sem a necessidade da realização de qualquer outra análise modal para corroborar os resultados. Além disso, a identificação de um sistema complexo como o analisado, utilizando métodos de análise modal operacional, enseja a possibilidade de pesquisas visando obter sistemas de controle baseado em imagens para plantas com características semelhantes. / In this present study, two different modal analysis methods are applied to obtain and compare models for properties of flame images captured in an industrial furnace. Since combustion of gases and liquids is characterized by the type of fuel injection, random formation of vortices and distribution of reagents, the system excitation signal isn\'t precisely known in the reality, thus the analysis methods must identify the modal parameters without this information. To overcome this obstacle, Ibrahim Time Domain Method (ITDM) and Eigensystem Realization Algorithm (ERA) associated with the Random Decrement (RandomDec) technique were implemented in this thesis. The RandomDec technique give the means to obtain a signal which is proportional to the free decay of the system when it is randomly forced. This proportional signal allows the previously mentioned analysis methods to be used to identify vibration characteristics of the system. The study of flame dynamics based on its image characteristics is barely approached in the literature; for this reason, a complete sensitivity test of all the methods and techniques to be implemented in the real problem of industrial furnaces was initially performed through numerical simulations of a hypothetical system. Afterwards, flame data was used to obtain the vibration modes of image properties. The results lead to conclude that the SIMO (single input and multiple output) model obtained by ERA has vibration modes with more consistent damping regarding flame dynamics and suggest also that this technique could be readily used in the identification of this kind of system, without the need of any other modal analysis for results corroboration. Furthermore, the utilization of operational modal analysis methods to identify a complex system such as the analyzed one may instigate researches on image-based control systems of industrial plants with suchlike characteristics.

Combustão pré-misturada dentro de meio poroso é área de intensa pesquisa na atualidade. Isto se deve à necessidade da indústria na utilização de câmaras de combustão com alta eficiência e baixa emissão de poluentes. Aplicações desta tecnologia em áreas como produção de hidrogênio, exploração de petróleo e aquecimento doméstico estão sendo investigadas por vários grupos de pesquisa. Neste trabalho são apresentadas simulações numéricas da combustão em meio poroso. Um modelo laminar, bidimensional, baseado em uma formulação macroscópica para as equações de transporte foi adotado. A cinética química é modelada através de dois mecanismos reduzidos, 6 e 8 equações elementares. O método numérico empregado é o de volumes finitos em um sistema de coordenadas generalizadas. Foram investigados três protótipos de reatores porosos e comparados os resultados das simulações aos resultados experimentais encontrados na literatura. Esta tecnologia tem como fundamento o controle sobre a chama a partir da possibilidade de uso de diferentes materiais porosos dentro do reator. Para um melhor entendimento das características dos materiais porosos e sua influência sobre a chama, foram realizadas análises de sensibilidade de vários parâmetros relacionados aos materiais porosos e às condições de entrada no reator.

As propriedades de combustão em regime laminar são de fundamental importância para analisar e prever a o desempenho de motores de combustão interna, auxiliando na análise de processos fundamentais e melhorias de projetos, porém faz-se necessário ampliar os conhecimentos das características da combustão dos gases. Por exemplo, a velocidade de chama laminar, SL, é geralmente uma destas características analisadas, por possuir impacto significativo no tamanho e na estabilidade dos combustores. O objetivo deste trabalho é avaliar experimentalmente as estruturas de chamas ancoradas parcialmente pré-misturadas. São avaliadas as velocidades de chama laminar da mistura gás natural/ar e sua dependência com a razão de equivalência, em condição rica e regime laminar. Diferentes metodologias são empregadas para o cálculo da velocidade de chama laminar baseadas nos métodos da área e do ângulo de chama, utilizando as técnicas ópticas fluorescência induzida por laser no plano (Planar Laser Induced Fluorescence - PLIF na língua inglesa) do radical OH, quimiluminescência dos radicais OH e CH e utilizando velocidades do escoamento obtidas pela técnica de velocimetria por imagem de partículas (Particle Image Velocimetry - PIV na língua inglesa). Os resultados indicaram que a velocidade de chama laminar determinada através do método da área da chama, utilizando os parâmetros obtidos através das técnicas PLIF-OH* e Emissão-OH* apresentaram os melhores resultados, sendo então selecionadas como metodologias para aplicação em trabalhos futuros, que utilizarão biogases e combustíveis líquidos após processo de vaporização, como etanol e biodiesel, entre outros.

Esse trabalho compara análises modais, obtidas por dois métodos distintos, de propriedades de imagens de chamas de um forno industrial. Visto que a combustão de gases e líquidos é caracterizada pelo tipo de injeção de combustível, pela formação aleatória de vórtices e pela distribuição de reagentes, o exato sinal de excitação do sistema é, na prática, muito pouco conhecido, cabendo aos métodos de análise a identificação dos parâmetros modais sem essa informação. Para vencer este obstáculo, na presente dissertação foram utilizados o método de Ibrahim no Domínio do Tempo (ITDM) e o método Eigensystem Realization Algorithm (ERA) associados à técnica do decremento aleatório (Random Decrement - RandomDec). A técnica RandomDec permite a obtenção de um sinal proporcional ao decaimento livre do sistema, a partir de uma excitação aleatória. Essa proporcionalidade permite que os métodos no domínio do tempo citados anteriormente sejam empregados na obtenção das características de vibração do sistema. O estudo da dinâmica de chamas com base em propriedades de suas imagens é tema muito pouco abordado na literatura; por esse motivo, inicialmente foi realizado, por meio de simulações numéricas em um sistema hipotético, um completo teste de sensibilidade de todos os métodos e da técnica a serem implementados no problema real do forno industrial. Posteriormente, os dados de chamas foram utilizados para obtenção dos modos de vibrar das propriedades de imagens. Os resultados mostram que a modelagem realizada pelo ERA para sistema SIMO (single input and multiple output) fornece modos de vibrar com amortecimentos mais condizentes com a dinâmica da chama e, assim, sugerem que, em princípio, está técnica poderia ser utilizada prontamente na identificação desse tipo de sistema, sem a necessidade da realização de qualquer outra análise modal para corroborar os resultados. Além disso, a identificação de um sistema complexo como o analisado, utilizando métodos de análise modal operacional, enseja a possibilidade de pesquisas visando obter sistemas de controle baseado em imagens para plantas com características semelhantes. / In this present study, two different modal analysis methods are applied to obtain and compare models for properties of flame images captured in an industrial furnace. Since combustion of gases and liquids is characterized by the type of fuel injection, random formation of vortices and distribution of reagents, the system excitation signal isn\'t precisely known in the reality, thus the analysis methods must identify the modal parameters without this information. To overcome this obstacle, Ibrahim Time Domain Method (ITDM) and Eigensystem Realization Algorithm (ERA) associated with the Random Decrement (RandomDec) technique were implemented in this thesis. The RandomDec technique give the means to obtain a signal which is proportional to the free decay of the system when it is randomly forced. This proportional signal allows the previously mentioned analysis methods to be used to identify vibration characteristics of the system. The study of flame dynamics based on its image characteristics is barely approached in the literature; for this reason, a complete sensitivity test of all the methods and techniques to be implemented in the real problem of industrial furnaces was initially performed through numerical simulations of a hypothetical system. Afterwards, flame data was used to obtain the vibration modes of image properties. The results lead to conclude that the SIMO (single input and multiple output) model obtained by ERA has vibration modes with more consistent damping regarding flame dynamics and suggest also that this technique could be readily used in the identification of this kind of system, without the need of any other modal analysis for results corroboration. Furthermore, the utilization of operational modal analysis methods to identify a complex system such as the analyzed one may instigate researches on image-based control systems of industrial plants with suchlike characteristics.

A estimativa acurada do fluxo de calor radiativo na região próxima à chama do tipo jato não pré-misturada é necessária para garantir a segurança de pessoas e equipamentos em caso de vazamentos ou processo de descarte na indústria de petróleo e gás. A simulação computacional dos fenômenos físicos envolvidos na transferência de calor e combustão do processo tem alto custo computacional. No presente trabalho é apresentado um estudo para o emprego do modelo de múltiplas fontes ponderadas para a estimativa do fluxo de calor radiativo no campo próximo à chama. O modelo matemático simplificado tem baixo custo computacional e consiste em representar a transferência de calor radiativa por fontes pontuais distribuídas no eixo central da chama. Cada fonte tem um peso proporcional à contribuição de cada região discretizada da chama na transferência de calor por radiação. Para determinar o peso de cada fonte foi utilizada a análise inversa pelo método da Otimização Extrema Generalizada, no qual o fluxo de calor é dado de entrada enquanto o peso de cada fonte é dado de saída. Como dado de entrada foi utilizado o fluxo de calor radiativo medido experimentalmente de um conjunto de 12 chamas, com potência entre 0,139 e 0,554 kW. A análise inversa foi utilizada para recuperar os pesos, e a fração radiante, que geram o fluxo de calor radiativo com maior compatibilidade com os dados experimentais em três abordagens. A primeira abordagem consiste em aplicar a análise inversa em cada chama separadamente, e depois de obtidos os pesos correlaciona-los com a potência da chama. Na aplicação do método em cada chama individualmente, o desvio máximo do resultado do modelo com os dados experimentais é de 5%. Em uma segunda abordagem, foi utilizada a análise inversa para obter diretamente os coeficientes de uma função entre os pesos do modelo e a potência da chama e seu comprimento estimado, o desvio máximo encontrado é de 18,6%. Na terceira abordagem, a análise inversa foi utilizada novamente para encontrar os coeficientes da função que correlaciona a potência da chama com parâmetros do modelo, e neste caso foi utilizado o comprimento experimental da chama para posicionar as fontes pontuais. Para o caso em que sete fontes foram posicionadas a 2,25 vezes o comprimento da chama medido experimentalmente, o desvio máximo observado foi de 8,6% e o desvio médio de 2,9%. / The accurate approximation of radiative heat flux on non-premixed flame in the region adjacent to the flame is required to guarantee the staff and machinery safety on oil and gas industry in cases of fuel leaking or disposal process. The physical phenomena involved on heat transfer and combustion has high computational cost in numerical simulation, in accidental leaking cases it is prohibitive. In the present study it is presented an application of Weighted Multi-Point Sources model to predict the radiative heat flux in the region adjacent to the flame. The simplified mathematical model has low computational cost and simulates the radiative heat transfer by punctual sources placed at the flame axis. Each source has the weight proportional to heat transfer contribution by each flame portion. To set each source's weight, it was used the inverse analysis by the Generalized Extremal Optimization. In inverse analysis the radiative heat fluxes are the input data while the weight of each source is the sought variable. As input data are used the radiative heat fluxes measured from a set of 12 flames, with power between 0.139 and 0.554 kW. The inverse analysis was used to recover the weights, and the fraction of heat radiated, which generate radiative heat fluxes with greater compatibility with the experimental data on three approaches. The first approach is to apply the inverse analysis in each flame separately, obtain the weights and then correlates them with the flame power. In method application for each flame, the maximum deviation between model outcome and experimental data was less than 5%. In a second approach, it was used the inverse analysis to directly obtain the coefficients of a function between the model's parameters and the flame’s power. When used just the flame power as model input parameter to distributes the sources and predict the heat flux, the maximum deviation is 18.6%. In the third approach, the inverse analysis was again used to find the coefficients of the function which correlates the flame power with model parameters, in this case was used the experimental flame length for positioning the point sources. For the case in which seven sources are positioned at 2.25 times the experimental length of the flame, the maximum deviation observed was 8.6% and the mean deviation of 2 9%.

A estimativa acurada do fluxo de calor radiativo na região próxima à chama do tipo jato não pré-misturada é necessária para garantir a segurança de pessoas e equipamentos em caso de vazamentos ou processo de descarte na indústria de petróleo e gás. A simulação computacional dos fenômenos físicos envolvidos na transferência de calor e combustão do processo tem alto custo computacional. No presente trabalho é apresentado um estudo para o emprego do modelo de múltiplas fontes ponderadas para a estimativa do fluxo de calor radiativo no campo próximo à chama. O modelo matemático simplificado tem baixo custo computacional e consiste em representar a transferência de calor radiativa por fontes pontuais distribuídas no eixo central da chama. Cada fonte tem um peso proporcional à contribuição de cada região discretizada da chama na transferência de calor por radiação. Para determinar o peso de cada fonte foi utilizada a análise inversa pelo método da Otimização Extrema Generalizada, no qual o fluxo de calor é dado de entrada enquanto o peso de cada fonte é dado de saída. Como dado de entrada foi utilizado o fluxo de calor radiativo medido experimentalmente de um conjunto de 12 chamas, com potência entre 0,139 e 0,554 kW. A análise inversa foi utilizada para recuperar os pesos, e a fração radiante, que geram o fluxo de calor radiativo com maior compatibilidade com os dados experimentais em três abordagens. A primeira abordagem consiste em aplicar a análise inversa em cada chama separadamente, e depois de obtidos os pesos correlaciona-los com a potência da chama. Na aplicação do método em cada chama individualmente, o desvio máximo do resultado do modelo com os dados experimentais é de 5%. Em uma segunda abordagem, foi utilizada a análise inversa para obter diretamente os coeficientes de uma função entre os pesos do modelo e a potência da chama e seu comprimento estimado, o desvio máximo encontrado é de 18,6%. Na terceira abordagem, a análise inversa foi utilizada novamente para encontrar os coeficientes da função que correlaciona a potência da chama com parâmetros do modelo, e neste caso foi utilizado o comprimento experimental da chama para posicionar as fontes pontuais. Para o caso em que sete fontes foram posicionadas a 2,25 vezes o comprimento da chama medido experimentalmente, o desvio máximo observado foi de 8,6% e o desvio médio de 2,9%. / The accurate approximation of radiative heat flux on non-premixed flame in the region adjacent to the flame is required to guarantee the staff and machinery safety on oil and gas industry in cases of fuel leaking or disposal process. The physical phenomena involved on heat transfer and combustion has high computational cost in numerical simulation, in accidental leaking cases it is prohibitive. In the present study it is presented an application of Weighted Multi-Point Sources model to predict the radiative heat flux in the region adjacent to the flame. The simplified mathematical model has low computational cost and simulates the radiative heat transfer by punctual sources placed at the flame axis. Each source has the weight proportional to heat transfer contribution by each flame portion. To set each source's weight, it was used the inverse analysis by the Generalized Extremal Optimization. In inverse analysis the radiative heat fluxes are the input data while the weight of each source is the sought variable. As input data are used the radiative heat fluxes measured from a set of 12 flames, with power between 0.139 and 0.554 kW. The inverse analysis was used to recover the weights, and the fraction of heat radiated, which generate radiative heat fluxes with greater compatibility with the experimental data on three approaches. The first approach is to apply the inverse analysis in each flame separately, obtain the weights and then correlates them with the flame power. In method application for each flame, the maximum deviation between model outcome and experimental data was less than 5%. In a second approach, it was used the inverse analysis to directly obtain the coefficients of a function between the model's parameters and the flame’s power. When used just the flame power as model input parameter to distributes the sources and predict the heat flux, the maximum deviation is 18.6%. In the third approach, the inverse analysis was again used to find the coefficients of the function which correlates the flame power with model parameters, in this case was used the experimental flame length for positioning the point sources. For the case in which seven sources are positioned at 2.25 times the experimental length of the flame, the maximum deviation observed was 8.6% and the mean deviation of 2 9%.

A estimativa acurada do fluxo de calor radiativo na região próxima à chama do tipo jato não pré-misturada é necessária para garantir a segurança de pessoas e equipamentos em caso de vazamentos ou processo de descarte na indústria de petróleo e gás. A simulação computacional dos fenômenos físicos envolvidos na transferência de calor e combustão do processo tem alto custo computacional. No presente trabalho é apresentado um estudo para o emprego do modelo de múltiplas fontes ponderadas para a estimativa do fluxo de calor radiativo no campo próximo à chama. O modelo matemático simplificado tem baixo custo computacional e consiste em representar a transferência de calor radiativa por fontes pontuais distribuídas no eixo central da chama. Cada fonte tem um peso proporcional à contribuição de cada região discretizada da chama na transferência de calor por radiação. Para determinar o peso de cada fonte foi utilizada a análise inversa pelo método da Otimização Extrema Generalizada, no qual o fluxo de calor é dado de entrada enquanto o peso de cada fonte é dado de saída. Como dado de entrada foi utilizado o fluxo de calor radiativo medido experimentalmente de um conjunto de 12 chamas, com potência entre 0,139 e 0,554 kW. A análise inversa foi utilizada para recuperar os pesos, e a fração radiante, que geram o fluxo de calor radiativo com maior compatibilidade com os dados experimentais em três abordagens. A primeira abordagem consiste em aplicar a análise inversa em cada chama separadamente, e depois de obtidos os pesos correlaciona-los com a potência da chama. Na aplicação do método em cada chama individualmente, o desvio máximo do resultado do modelo com os dados experimentais é de 5%. Em uma segunda abordagem, foi utilizada a análise inversa para obter diretamente os coeficientes de uma função entre os pesos do modelo e a potência da chama e seu comprimento estimado, o desvio máximo encontrado é de 18,6%. Na terceira abordagem, a análise inversa foi utilizada novamente para encontrar os coeficientes da função que correlaciona a potência da chama com parâmetros do modelo, e neste caso foi utilizado o comprimento experimental da chama para posicionar as fontes pontuais. Para o caso em que sete fontes foram posicionadas a 2,25 vezes o comprimento da chama medido experimentalmente, o desvio máximo observado foi de 8,6% e o desvio médio de 2,9%. / The accurate approximation of radiative heat flux on non-premixed flame in the region adjacent to the flame is required to guarantee the staff and machinery safety on oil and gas industry in cases of fuel leaking or disposal process. The physical phenomena involved on heat transfer and combustion has high computational cost in numerical simulation, in accidental leaking cases it is prohibitive. In the present study it is presented an application of Weighted Multi-Point Sources model to predict the radiative heat flux in the region adjacent to the flame. The simplified mathematical model has low computational cost and simulates the radiative heat transfer by punctual sources placed at the flame axis. Each source has the weight proportional to heat transfer contribution by each flame portion. To set each source's weight, it was used the inverse analysis by the Generalized Extremal Optimization. In inverse analysis the radiative heat fluxes are the input data while the weight of each source is the sought variable. As input data are used the radiative heat fluxes measured from a set of 12 flames, with power between 0.139 and 0.554 kW. The inverse analysis was used to recover the weights, and the fraction of heat radiated, which generate radiative heat fluxes with greater compatibility with the experimental data on three approaches. The first approach is to apply the inverse analysis in each flame separately, obtain the weights and then correlates them with the flame power. In method application for each flame, the maximum deviation between model outcome and experimental data was less than 5%. In a second approach, it was used the inverse analysis to directly obtain the coefficients of a function between the model's parameters and the flame’s power. When used just the flame power as model input parameter to distributes the sources and predict the heat flux, the maximum deviation is 18.6%. In the third approach, the inverse analysis was again used to find the coefficients of the function which correlates the flame power with model parameters, in this case was used the experimental flame length for positioning the point sources. For the case in which seven sources are positioned at 2.25 times the experimental length of the flame, the maximum deviation observed was 8.6% and the mean deviation of 2 9%.

O objetivo desta tese é o estudo de formação de fuligem em chamas laminares de difusão. Para o modelo de formação de fuligem é escolhido um modelo semi-empírico de duas equações para prever a fração mássica de fuligem e o número de partículas de fuligem. O modelo descreve os processos de nucleação, de crescimento superficial e de oxidação das partículas. Para o modelo de radiação, a perda de calor por radiação térmica (gás e fuligem) é modelada considerando o modelo de gás cinza no limite de chama opticamente fina (OTA - Optically Thin Approximation). São avaliados diferentes modelos de cálculo das propriedades de transporte (detalhado e simplificado). Em relação à cinética química, tanto modelos detalhados quanto reduzidos são utilizados. No presente estudo, é explorada a técnica automática de redução conhecida como Flamelet Generated Manifold (FGM), sendo que esta técnica é capaz de resolver cinética química detalhada com tempos computacionais reduzidos. Para verificar o modelo de formação de fuligem foram realizados uma variedade de experimentos numéricos, desde chamas laminares unidimensionais adiabáticas de etileno em configuração tipo jatos opostos (counterflow) até chamas laminares bidimensionais com perda de calor de etileno em configuração tipo jato (coflow). Para testar a limitação do modelo os acoplamentos de massa e energia entre a fase sólida e a fase gasosa são investigados e quantificados para as chamas contra-corrente Os resultados mostraram que os termos de radiação da fase gasosa e sólida são os termos de maior importancia para as chamas estudas. Os termos de acoplamento adicionais (massa e propriedade termodinâmicas) são geralmente termos de efeitos de segunda ordem, mas a importância destes termos aumenta conforme a quantidade de fuligem aumenta. Como uma recomendação geral o acoplamento com todos os termos deve ser levado em conta somente quando a fração mássica de fuligem, YS, for igual ou superior a 0.008. Na sequência a formação de fuligem foi estudada em chamas bi-dimensionais de etileno em configuração jato laminar usando cinética química detalhada e explorando os efeitos de diferentes modelos de cálculo de propriedades de transporte. Foi encontrado novamente que os termos de radiação da fase gasosa e sólida são os termos de maior importância e uma primeira aproximação para resolver a chama bidimensional de jato laminar de etileno pode ser feita usando o modelo de transporte simplificado. Finalmente, o modelo de fuligem é implementado com a técnica de redução FGM e diferentes formas de armazenar as informações sobre o modelo de fuligem nas tabelas termoquímicas (manifold) são testadas A melhor opção testada neste trabalho é a de resolver todos os flamelets com as fases sólida e gasosa acopladas e armazenar as taxas de reação da fuligem por área de partícula no manifold. Nas simulações bidimensionais estas taxas são então recuperadas para resolver as equações adicionais de formação de fuligem. Os resultados mostraram uma boa concordância qualitativa entre as predições do FGM e da solução detalhada, mas a grande quantidade de fuligem no sistema ainda introduz alguns desafios para a obtenção de bons resultados quantitativos. Entretanto, este trabalho demonstrou o grande potencial do método FGM em predizer a formação de fuligem em chamas multidimensionais de difusão de etileno em tempos computacionais reduzidos. / The objective of this thesis is to study soot formation in laminar diffusion flames. For soot modeling, a semi-empirical two equation model is chosen for predicting soot mass fraction and number density. The model describes particle nucleation, surface growth and oxidation. For flame radiation, the radiant heat losses (gas and soot) is modelled by using the grey-gas approximation with Optically Thin Approximation (OTA). Different transport models (detailed or simplified) are evaluated. For the chemical kinetics, detailed and reduced approaches are employed. In the present work, the automatic reduction technique known as Flamelet Generated Manifold (FGM) is being explored. This reduction technique is able to deal with detailed kinetic mechanisms with reduced computational times. To assess the soot formation a variety of numerical experiments were done, from one-dimensional ethylene counterflow adiabatic flames to two-dimensional coflow ethylene flames with heat loss. In order to assess modeling limitations the mass and energy coupling between soot solid particles and gas-phase species are investigated and quantified for counterflow flames. It is found that the gas and soot radiation terms are of primary importance for flame simulations. The additional coupling terms (mass and thermodynamic properties) are generally a second order effect, but their importance increase as the soot amount increases As a general recommendation the full coupling should be taken into account only when the soot mass fraction, YS, is equal to or larger than 0.008. Then the simulation of soot is applied to two-dimensional ethylene co-flow flames with detailed chemical kinetics and explores the effect of different transport models on soot predictions. It is found that the gas and soot radiation terms are also of primary importance for flame simulations and that a first attempt to solve the two-dimensional ethylene co-flow flame can be done using a simplified transport model. Finally an implementation of the soot model with the FGM reduction technique is done and different forms for storing soot information in the manifold is explored. The best option tested in this work is to solve all flamelets with soot and gas-phase species in a coupled manner, and to store the soot rates in terms of specific surface area in the manifold. In the two-dimensional simulations, these soot rates are then retrieved to solve the additional equations for soot modeling. The results showed a good qualitative agreement between FGM solution and the detailed solution, but the high amount of soot in the system still imposes some challenges to obtain good quantitative results. Nevertheless, it was demonstrated the great potential of the method for predicting soot formation in multidimensional ethylene diffusion flames with reduced computational time.