Modern combustion turbines have several applications: power stations, naval, aeronautical and oil industry. Aeronautical applications seek reduction of pollutant emissions using mixtures of conventional jet fuels with biofuels and synthetic fuels. Due to the restrictions of natural gas and other oil fuels supply for the generation of electricity, the use of alternative fuels in stationary gas turbines is being seriously considered. Generally, all liquid and gaseous fuels from biomass, syngas, biogas, refinery gas and other unconventional sources are considered as alternative fuels. In the last years, with the objective of making the industrial and aeronautical process in harmony with the current environmental laws around the world, much research on the use of these alternative fuels in gas turbines is in progress. Gas turbines are thermal machines with the great advantage of being capable of successfully burning a large variety of fuels in a continuous combustion process. Gas turbine combustion chambers with this ability are referred as fuel flexible gas turbine combustors. This thesis aims at describing a methodology for sizing fuel flexible gas turbine combustors and, additionally, analyzing the reacting flow in these designed combustion chambers. The design of the fuel flexible gas turbine combustors is based on the reaction mechanisms, reactor network and stability loops approach simultaneously with numerical methods as Newton-Raphson, LU factorization, splines and inverse Lagrange polynomials. A computational tool has been developed for the combustor sizing and reacting flow analysis. The zero and one-dimensional models are based on the methodology developed by Lefebvre, Melconian e Modak. The thermokinetic, flammability limits and reaction mechanisms models are based on the methodology developed by Gordon and McBride and other authors. The study of the combustion efficiency and stability loops for the studied fuels and their influence on the production of pollutant emissions under several operating conditions is presented. Useful information is generated at the design stage of a fuel flexible gas turbine combustion chamber, which may be used to alter the pollutant emissions at very early stage of the design.

A combustão assistida a plasma é uma área de pesquisa que desperta grande interesse nos setores acadêmico e industrial devido às novas possibilidades de reações químicas e perspectivas de aplicação. Entre as aplicações, a geração de gases ricos em hidrogênio, seja para produção de insumos químicos ou para utilização em diferentes geometrias de combustores, tais como os sistemas RQL (rich-quenching-lean), tem recebido grande destaque. Neste trabalho, a combustão assistida a plasma gerado por descarga de arco deslizante em mistura de ar e gás natural para produção de gases ricos em hidrogênio foi realizada com o intuito de investigar os processos básicos ocorridos tanto no plasma quanto na combustão. Para tanto, foram realizadas medidas elétricas da descarga em ar e análises químicas da combustão assistida a plasma utilizando as técnicas de espectroscopia óptica de emissão e espectrometria de massa em experimentos conduzidos na faixa de razão de equivalência entre 0,4 e 3,0 com potências aplicadas entre 160 e 400 W. Para avaliar a evolução da descarga, assim como a formação e a estrutura da chama foram realizadas medidas com uma câmera de alta velocidade para uma razão de equivalência de 1,4 e potência aplicada de 236 W. Observou-se que os limites de inflamabilidade são aumentados com a utilização da descarga elétrica, podendo ser estendidos até 2,2 dependendo da potência aplicada. As análises químicas demonstram que a reatividade do processo, associada ao consumo de reagentes, é maior quando ocorre a formação de chama, sendo maior ainda próxima da estequiometria. No entanto, a produção de hidrogênio é maior fora dos limites de inflamabilidade. Estes resultados, correlacionados com os efeitos que levam à intensificação da chama pela assistência do plasma, indicam que o hidrogênio gerado devido a processos de descarga é queimado na chama, facilitando a ignição da mistura e aumentando a liberação de energia na combustão.

O gás natural vem ganhando espaço na matriz energética mundial, com crescente participação no setor de transportes. Sua utilização em motores de combustão interna traz vantagens quanto à emissão de gases nocivos e à redução do nível de ruído, em comparação ao combustível diesel. Tradicionalmente, o gás é injetado no coletor de admissão, porém existem pesquisas e até mesmo aplicações comerciais de sistemas com injeção direta de combustível gasoso na câmara de combustão. Entre os ganhos potenciais da injeção direta destacam-se o desempenho (pela elevação da eficiência volumétrica do motor) e a possibilidade de estratificação da mistura, que permite reduzir as perdas por bombeamento em cargas parciais. Este trabalho explora as características de um sistema de injeção direta de gás natural para o regime de máxima potência de um motor monocilíndrico de pesquisa de ignição por centelha (ciclo Otto) em avanço ótimo, até o surgimento de detonação leve. São comparados os parâmetros de desempenho, combustão e emissões para diferentes níveis de diluição por ar, na velocidade de 1800 rotações por minuto e com razão volumétrica de compressão constante (13:1). Foram medidas pressões médias efetivas indicadas de 1,15, 1,30 e 1,55 MPa para fatores lambda de 1,00, 1,30 e 1,50 e eficiências indicadas de conversão de energia de 41, 44 e 45% respectivamente. As várias estratégias de injeção estudadas produziram diferentes efeitos no processo de combustão, porém com pouca influência sobre a eficiência de conversão. Observou-se uma pequena tendência de aumento da eficiência volumétrica (cerca de 1%) quando o início da injeção é atrasado em 40 do virabrequim com relação aos casos de referência. Deficiências no processo de homogeneização da mistura para operação em plena carga foram evidenciadas pelo aumento da emissão de CO em regiões próximas à estequiometria, indicando que este sistema de injeção pode estar subdimensionado para esta aplicação.

A simulação da combustão da Dinitramida de Amônio (ADN) com o binder Polibutadieno Líquido Hidroxilado (HTPB) é um trabalho inédito realizado por meio do programa Chemkin 4.1. O modelo de reator "Transient or steady-state perfectly stirred reactor" (PSR) foi utilizado no modo transiente de simulação. O mecanismo de combustão proposto, é composto por 164 diferentes reações elementares e seus respectivos parâmetros cinéticos de Arrhenius. Neste trabalho a pressão do sistema e a fração molar da ADN e HTPB foram variadas, observando-se a maiores pressões há mais consumo dos reagentes e menos formação dos produtos apesar de pouco perceptível. Já com o aumento na fração molar dos reagentes, para quantidades estequiométricas 2:1, há consumo completo dos reagentes, enquanto a proporções de 1:1, os reagentes não são completamente consumidos. Os dados do comportamento do sistema obtidos no processo de combustão, considerando a fração molar das espécies químicas presentes no mecanismo da ADN/HTPB foram compilados e analisados. Através de estudos a partir de fontes da literatura, também foi possível verificar o comportamento do propelente através das técnicas de análise térmica de Análise Termogravimétrica (TGA) e Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC).

O veículo hipersônico aeroespacial 14-X B, desenvolvido pelo Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica Prof. Henry T. Nagamatsu do Instituto de Estudos Avançados (IEAv), é um demonstrador tecnológico da propulsão hipersônica aspirada que faz parte do esforço do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA) para promover a exploração espacial. O veículo 14-X B incorpora como sistema de propulsão um motor de combustão supersônica aspirada (scramjet) e a tecnologia waverider para a aerodinâmica e controle do veículo. Neste trabalho de mestrado foram determinadas as propriedades termodinâmicas e o número de Mach do escoamento ao longo das superfícies internas do motor scramjet, no extradorso e na carenagem do veículo, para condições de ângulos de ataque positivos e negativos, considerando as operações de power-on e power-off do motor. Os cálculos foram feitos via três abordagens teórico-analíticas, considerando diferentes modelos termodinâmicos do ar e os efeitos viscosos do escoamento. As condições de operação estudadas foram avaliadas através dos parâmetros de desempenho da seção de compressão do motor, os valores de arrasto das superfícies do veículo e o empuxo instalado do motor. Com a variação do ângulo de ataque, a estrutura das ondas de choque sobre a seção de compressão foi alterada mostrando derramamento do escoamento de ar para ângulos de -2.5, 2.5 e 5.5. Para o modelo de gás em equilíbrio e para o modelo considerando os efeitos viscosos, a condição de ângulo de ataque 2.5 mostrou condição de choque on-corner da onda de choque refletida na carenagem. Na operação de power-on do motor, o processo de adição de calor, usando a teoria de Rayleigh adaptada para considerar ar em equilíbrio termodinâmico, apresentou menores pressões e temperaturas do escoamento do que as calculadas pelo método de temperatura total para gás termicamente perfeito. O arrasto das superfícies do veículo foi maior para condições de ângulo de ataque positivo e o empuxo instalado do motor foi maior para operação de ângulo de ataque nulo (ponto de projeto) em todas as abordagens.

Neste trabalho foram desenvolvidos os projetos de uma câmara de combustão e de um atomizador do tipo pressure-swirl que permitiram a operação de uma microturbina a gás, utilizando etanol como combustível. O combustor e o injetor foram projetados para as características físico-químicas do etanol anidro. A influência da presença de água no combustível foi ser analisada nos ensaios. Foram realizados ensaios de desempenho e emissões de gases na microturbina. A determinação do Diâmetro Médio de Sauter (SMD) e do ângulo de abertura do do spray também foi realizada. Na análise dos resultados investigou-se o comportamento das relações ar/combustível, a emissão de poluentes e sua correlação com atomização do combustível e com a eficiência de combustão. A operação da microturbina ocorreu de maneira estável, validando tanto o projeto do combustor quanto o do atomizador. A razão de equivalência aumentou com o aumento da rotação do eixo. A pressão de injeção aumentou com o incremento de vazão provocando a diminuição do SMD. Fato esse que promoveu decréscimo nas emissões de monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NOx) demonstrando melhoria na eficiência de combustão.

Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos no desenvolvimento de uma unidade de controle para motores de combustão interna (UCM). A unidade foi desenvolvida com o intuito de facilitar os estudos de motores, por ser um sistema flexível e acessível. Para cálculos de rotinas de controle e acionamento de atuadores são utilizados, respectivamente, um microcontrolador e um FPGA, sendo que ambos são componentes de fácil obtenção e utilizados em placas de prototipagem encontradas no mercado (Arduino Due e Xula 2). O uso de um FPGA para executar o comando de atuadores se deve à alta velocidade de processamento, processamento paralelo e grande quantidade de portas digitais disponíveis, o que permite facilidade na expansão do sistema para comandos de múltiplos atuadores e o sincronismo desses com o sistema mecânico. O microcontrolador fica encarregado de executar as rotinas de cálculos que não exigem exato sincronismo, como rotinas de controle e comunicação com periféricos. A planta escolhida para ensaios da UCM é um motor ciclo Otto a álcool de 4 cilindros e 1.6 litros, com injeção multiponto. Ensaios foram realizados com o protótipo final e englobaram somente o controle do sistema de ignição do motor devido à facilidade de controle utilizando-se somente um parâmetro de entrada (velocidade) e devido ao controle de quantidade de combustível ser similar e utilizar as mesmas partes de código que o sistema de ignição. / In this work is presented the development of a flexible and accessible engine control unit for research purposes. For the calculations of the control routines and to drive the actuators synchronously, are used respectively, a microcontroller and an FPGA. The integrated circuits selected are easily accessible and are used in common prototyping boards found on the market (Arduino Due and Xula 2). The use of an FPGA to control the activation of the actuators is due the high speed, parallel processing and the large number of IOs, which allows the easy expansion of the system to drive more actuators, synchronized or not, with the mechanical system. The microcontroller calculates the routines that dont need an exact synchronism of the electronic system with the mechanical system, like control routines and communication tasks. The selected mechanical system for tests is a 1.6 Liter Otto engine with multipoint fuel injection and is powered with ethanol. Tests were conducted using the final board prototype only for the ignition system, because of the easy of control using a few parameters, and because ignition FPGAs code is almost the same used to drive fuel injection actuators.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-11-07T15:29:53Z No. of bitstreams: 1 Peterson Machado de Oliveira_.pdf: 3557303 bytes, checksum: 0639bd079ad8864f61fccb73df335d8e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-07T15:29:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Peterson Machado de Oliveira_.pdf: 3557303 bytes, checksum: 0639bd079ad8864f61fccb73df335d8e (MD5) Previous issue date: 2018-05-11 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Durante a etapa de projeto de fornos de unidades de destilação atmosférica são definidos limites para as temperaturas dos tubos da serpentina de aquecimento de petróleo, a fim de garantir sua integridade estrutural. Como estes equipamentos operam por anos, acabam por passar por modificações no projeto original e, portanto, faz-se necessário também que hajam ferramentas capazes de se adaptar e identificar os efeitos destas mudanças. No intuito de avaliar as condições de operação de um forno de uma destas unidades de destilação, neste trabalho realiza-se uma avaliação numérica em CFD - Computational Fluid Dynamics através do software Ansys CFX, onde a modelagem do escoamento reativo, turbulento e não isotérmico é implementada para simular o processo de combustão e a transferência de calor no interior do forno. A modelagem teve como base a solução das equações de conservação de massa, de quantidade de movimento, de energia e de espécies químicas, considerando a radiação térmica em meios participantes, além da modelagem por taxas finitas de reações químicas com o modelo Eddy Breakup - Arrhenius para representar a queima do combustível em dois passos. A turbulência foi representada no escoamento através do modelo k- e o espectro de absorção dos gases de combustão na radiação tpermica foi descrito pelo modelo WSGG - Weighted Sum of Gray Gases. A solução das equações de conservação em acoplamento aos demais modelos selecionados é desenvolvida pelo Método de Volumes Finitos. Para avaliar o fluxo médio de calor para o petróleo foi utilizado o software comercial HTRI Xfh 6.0 e seus resultados foram aplicados como condições de contorno no modelo numérico no CFX. A validação da modelagem é realizada por comparação com dados experimentais e numéricos disponíveis na literatura e por comparação com dados experimentais operacionais do forno. Como principais resultados apresentam-se os campos de temperaturas no interior do forno e a influência da geometria destes equipamentos no fluxo dos gases de combustão. Além disto, foi possível verificar o perfil de temperatura ao longo de cada tubo da serpentina de aquecimento individualmente bem como a distribuição de concentração de espécies químicas e taxas de transferência de calor na câmara de combustão. A modelagem numérica apresentou resultados mais próximos aos dados operacionais quando comparada a simulação com o software HTRI Xfh, mas em ambas as simulações as temperaturas obtidas estavam dentro da mesma ordem de grandeza, apresentando diferença máxima de 12,5% entre si.

Orientador: João Andrade de Carvalho Júnior / Coorientador: Marco Antônio Rosa do Nascimento / Banca: José Antonio Parrella Balestieri / Banca: Ivone Ávila / Banca: José Adilson de Castro / Banca: Lucilene de Oliveira Rodrigues / Resumo: Nesta tese realizou-se uma análise do escoamento turbulento de gás natural e combustão turbulenta subseqüente, em um queimador industrial com chamas por difusão de um forno de reaquecimento de placas, através de modelagem em computação fluidodinâmica (CFD) em regime permanente para várias condições de carga térmica normais de operação. O forno é equipado com queimadores projetados para a utilização de gás natural e gás de coqueria, alternativamente, através dos mesmos orifícios. O trabalho foi focado em um dos queimadores laterais da zona de preaquecimento do forno de reaquecimento, projetado para formação de movimento rotacional do ar primário de combustão. Valores de vazão volumétrica e de pressão calculados numericamente a montante do queimador para o gás natural, ar primário e secundário de combustão foram validados por medições experimentais. Os resultados da modelagem numérica foram analisados para diferentes modelos de turbulência em termos de perda de carga e perfil de velocidade. Os modelos de turbulência "k-.", entre eles o "standard", o RNG e o "Realizable" foram utilizados, e também o Reynolds Stress Model (RSM). Coeficientes de descarga de orifício para o gás natural foram calculados com os valores das propriedades do fluido, resultado da simulação numérica e comparados com método empírico de determinação deste parâmetro. O modelo de combustão turbulenta utilizado foi o Eddy Dissipation Model (EDM). A análise da combustão e da aerodinâmica foi apresentada através dos perfis de temperatura, pressão e velocidade. As temperaturas calculadas pela simulação numérica em região interna do forno, do piso refratário, da parede do queimador e da superfície inferior da placa, foram comparadas com os valores da medição experimental... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work presents numerical modeling of a turbulent natural gas flow through a non-premixed industrial burner of a slab reheating furnace, in steady state condition for several burner thermal loads. The furnace is equipped with diffusion side burners capable of utilizing natural gas or coke oven gas alternatively through the same nozzles. The study is focused on one of the burners of the preheating zone, designed with swirl device in the primary air nozzle. Computational Fluid Dynamics simulation has been used to predict the burner orifice turbulent flow. Flow rate and pressure at burner upstream were validated by experimental measurements. The outcomes of the numerical modeling are analyzed for the different turbulence models in terms of pressure drop and velocity profiles. The standard, RNG, and Realizable k-. models and Reynolds Stress Model (RSM) were been used. Orifice discharge coefficients for natural gas nozzle were calculated using the fluid properties from numerical simulation and compared with empirical formulation to determine this parameter. The turbulent combustion model used was the Eddy-Dissipation Model. The combustion and aerodynamic analysis was presented through the profiles of temperature, pressure and velocity. The temperatures calculated through the numerical simulation inside the furnace, at the refractory floor, at the burner wall and in the lower surface of the slab were compared to the values of experimental measurements. The main purpose of the numerical investigation is to determine the turbulence model that more consistently reproduces the experimental results of the flow through an industrial non-premixed burner orifice. The comparisons between simulations suggest that all the models tested satisfactorily represent the experimental conditions... (Complete abstract click eletronic access below) / Doutor

Diversos equipamentos industriais utilizam processos de combustão com sprays. As principais vantagens deste processo estão relacionadas ao aumento do controle da chama e à maior segurança na logística do combustível líquido. Atualmente, o interesse na utilização de bio-combustíveis como alternativa para a redução na emissão de dióxido de carbono é crescente. Entre os tipos de bio-combustíveis o etanol se destaca por ser utilizado em vários países misturado à gasolina no setor de transportes. Partindo deste panorama, o presente trabalho apresenta a modelagem e simulação de uma chama turbulenta de spray de etanol. Os resultados das simulações realizadas são comparados com dados experimentais da literatura. O modelo resultante baseia-se no método dos volumes finitos para escoamentos com baixo número de Mach e em regime permanente. O spray foi calculado com a aproximação de escoamentos separados com uma formulação Euler-Lagrange, em que a fase dispersante é modelada com a abordagem Euleriana, enquanto que a fase dispersa é modelada com a abordagem Lagrangeana. As duas fases foram completamente acopladas nos dois sentidos. O modelo de turbulência k- Padrão foi utilizado na fase dispersante. A evaporação de gotículas foi considerada, em que o modelo de condutividade infinita foi utilizado para a fase líquida. Dessa forma, a distribuição de temperaturas no interior da gotícula é uniforme, porém varia conforme ela se move no spray. Para reproduzir os efeitos do resfriamento evaporativo, a combustão foi modelada com um modelo de folha de chama modificado que considerou uma função joint -PDF de fração de mistura e entalpia. Transferências de calor por radiação foram negligenciadas neste trabalho. Aproximações razoáveis foram obtidas entre os perfis medidos e calculados de temperatura média da fase gasosa e de distribuições de tamanhos de gotículas. Algumas discrepâncias foram observadas nas comparações entre os perfis do componente axial de velocidade média da fase gasosa, que foram atribuídas à difusão superestimada das quantidades médias transportadas pela fase gasosa nas simulações. / Several industrial equipments use combustion processes with sprays. The main advantages of this process are related to the increase in the flame control and in the safety of liquid fuel logistics. Currently, the interest on the utilization of biofuels as an alternative to the reduction of carbon dioxide emissions is increasing. Among the types of biofuels the ethanol stands out by being used blended with gasoline in the transport sector of several countries. From this overview, this work presents the modeling and simulation of an ethanol turbulent spray flame. The results of the simulations were compared with experimental data from the literature. The resulting model was based on the finite volume method for low Mach number and steady state flows. The spray was calculated using the Separated Flow method (SF) with an Euler-Lagrange model, where the gaseous phase was described by an Eulerian model and the liquid phase by a Lagrangian particle method. Both phases were fully coupled in order to account for shared effects. The turbulence model k- Standard was used to determine the dispersant phase. Evaporation of droplets was calculated with the assumption of the infinite-liquid-conductivity model, where the droplet inner temperature is uniform, but varies with the mass and heat transfer within the dispersant phase. To reproduce the effects of the evaporative cooling the combustion was modeled with a modified flamesheet model which regarded a jointed mixture fraction-enthalpy -PDF. Radiactive heat transfer was not accounted for in this work. Reasonable agreement between measured and computed mean profiles of temperature of the gas phase and droplet size distributions was achieved. Some deviations were observed in the mean velocity profiles comparisons between experimental data and simulations, which were assigned to the over predicted diffusion of the mean quantities transported by the gas phase.