Modelos numéricos envolvendo a transferência de calor por radiação em gases participantes são bastante complexos de ser resolvidos devido à dependência espectral das propriedades radiantes. Contudo, a radiação térmica não pode ser negligenciada em processos de combustão, onde as elevadas temperaturas envolvidas tornam a radiação o principal fenômeno de transferência de calor. O cálculo da transferência de calor por radiação envolve propriedades de absorção que variam de forma complexa com a temperatura e número de onda, sendo assim necessária a utilização de modelos espectrais para obtenção de resultados confiáveis com baixo tempo computacional. Neste trabalho, o método da soma-ponderada-degases- cinzas (WSGG) foi aplicado na resolução da transferência de calor radiante em um sistema unidimensional formado por duas placas finitas, paralelas e negras, para diferentes perfis de temperatura e de concentração de espécies químicas. Foram obtidas novas correlações para misturas de vapor d’água e dióxido de carbono, além de correlações para as espécies químicas individuais de vapor d’água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano. A partir do banco de dados HITEMP 2010, as correlações foram geradas para três, quatro e cinco gases-cinzas. A partir das correlações obtidas para o modelo da somaponderada- de-gases-de-cinzas seus resultados são comparados com a solução benchmark obtida pela integração linha-por-linha (LBL). Para todos os casos propostos, é possível verificar uma boa concordância entre os resultados do método da soma-ponderada-de-gasescinzas com o método linha-por-linha. / Problems involving radiation heat transfer in participating media are in general very complex to be solved due to the dependence of the radiative properties with the wavenumber. However, thermal radiation cannot be neglected, especially in combustion processes due to the high temperatures that are involved, making radiation the main heat transfer mode. Calculating the heat transfer by radiation involves absorption properties which varies with the temperature and wavelength, therefore the use of spectral models are required to obtain good results with low computational time. In this dissertation, the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model was applied to resolve the radiation heat transfer in a one-dimensional finite system formed by two parallel plates with black walls, for different temperature profiles and concentrations of the participating species. New WSGG correlations were obtained for mixtures of vapor water and carbon dioxide, besides correlations for the individual chemical species of vapor water, carbon monoxide, carbon dioxide and methane. From the HITEMP 2010 database correlations were generated for three, four and five gray gases. From the correlations obtained for the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model, their results are compared with the benchmark solution obtained by integrating line-by-line (LBL). For all the proposed cases, in general, it is possible to observe a satisfactory agreement between the results of the weighted-sum-of-gray-gases with the line-by-line method.

Modelos numéricos envolvendo a transferência de calor por radiação em gases participantes são bastante complexos de ser resolvidos devido à dependência espectral das propriedades radiantes. Contudo, a radiação térmica não pode ser negligenciada em processos de combustão, onde as elevadas temperaturas envolvidas tornam a radiação o principal fenômeno de transferência de calor. O cálculo da transferência de calor por radiação envolve propriedades de absorção que variam de forma complexa com a temperatura e número de onda, sendo assim necessária a utilização de modelos espectrais para obtenção de resultados confiáveis com baixo tempo computacional. Neste trabalho, o método da soma-ponderada-degases- cinzas (WSGG) foi aplicado na resolução da transferência de calor radiante em um sistema unidimensional formado por duas placas finitas, paralelas e negras, para diferentes perfis de temperatura e de concentração de espécies químicas. Foram obtidas novas correlações para misturas de vapor d’água e dióxido de carbono, além de correlações para as espécies químicas individuais de vapor d’água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano. A partir do banco de dados HITEMP 2010, as correlações foram geradas para três, quatro e cinco gases-cinzas. A partir das correlações obtidas para o modelo da somaponderada- de-gases-de-cinzas seus resultados são comparados com a solução benchmark obtida pela integração linha-por-linha (LBL). Para todos os casos propostos, é possível verificar uma boa concordância entre os resultados do método da soma-ponderada-de-gasescinzas com o método linha-por-linha. / Problems involving radiation heat transfer in participating media are in general very complex to be solved due to the dependence of the radiative properties with the wavenumber. However, thermal radiation cannot be neglected, especially in combustion processes due to the high temperatures that are involved, making radiation the main heat transfer mode. Calculating the heat transfer by radiation involves absorption properties which varies with the temperature and wavelength, therefore the use of spectral models are required to obtain good results with low computational time. In this dissertation, the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model was applied to resolve the radiation heat transfer in a one-dimensional finite system formed by two parallel plates with black walls, for different temperature profiles and concentrations of the participating species. New WSGG correlations were obtained for mixtures of vapor water and carbon dioxide, besides correlations for the individual chemical species of vapor water, carbon monoxide, carbon dioxide and methane. From the HITEMP 2010 database correlations were generated for three, four and five gray gases. From the correlations obtained for the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model, their results are compared with the benchmark solution obtained by integrating line-by-line (LBL). For all the proposed cases, in general, it is possible to observe a satisfactory agreement between the results of the weighted-sum-of-gray-gases with the line-by-line method.

Modelos numéricos envolvendo a transferência de calor por radiação em gases participantes são bastante complexos de ser resolvidos devido à dependência espectral das propriedades radiantes. Contudo, a radiação térmica não pode ser negligenciada em processos de combustão, onde as elevadas temperaturas envolvidas tornam a radiação o principal fenômeno de transferência de calor. O cálculo da transferência de calor por radiação envolve propriedades de absorção que variam de forma complexa com a temperatura e número de onda, sendo assim necessária a utilização de modelos espectrais para obtenção de resultados confiáveis com baixo tempo computacional. Neste trabalho, o método da soma-ponderada-degases- cinzas (WSGG) foi aplicado na resolução da transferência de calor radiante em um sistema unidimensional formado por duas placas finitas, paralelas e negras, para diferentes perfis de temperatura e de concentração de espécies químicas. Foram obtidas novas correlações para misturas de vapor d’água e dióxido de carbono, além de correlações para as espécies químicas individuais de vapor d’água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano. A partir do banco de dados HITEMP 2010, as correlações foram geradas para três, quatro e cinco gases-cinzas. A partir das correlações obtidas para o modelo da somaponderada- de-gases-de-cinzas seus resultados são comparados com a solução benchmark obtida pela integração linha-por-linha (LBL). Para todos os casos propostos, é possível verificar uma boa concordância entre os resultados do método da soma-ponderada-de-gasescinzas com o método linha-por-linha. / Problems involving radiation heat transfer in participating media are in general very complex to be solved due to the dependence of the radiative properties with the wavenumber. However, thermal radiation cannot be neglected, especially in combustion processes due to the high temperatures that are involved, making radiation the main heat transfer mode. Calculating the heat transfer by radiation involves absorption properties which varies with the temperature and wavelength, therefore the use of spectral models are required to obtain good results with low computational time. In this dissertation, the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model was applied to resolve the radiation heat transfer in a one-dimensional finite system formed by two parallel plates with black walls, for different temperature profiles and concentrations of the participating species. New WSGG correlations were obtained for mixtures of vapor water and carbon dioxide, besides correlations for the individual chemical species of vapor water, carbon monoxide, carbon dioxide and methane. From the HITEMP 2010 database correlations were generated for three, four and five gray gases. From the correlations obtained for the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model, their results are compared with the benchmark solution obtained by integrating line-by-line (LBL). For all the proposed cases, in general, it is possible to observe a satisfactory agreement between the results of the weighted-sum-of-gray-gases with the line-by-line method.

A radiação térmica é frequentemente considerada um mecanismo de transferência de calor muito importante em processos de combustão em alta pressão, devido à presença de meios participantes e às altas temperaturas envolvidas. Resolver a radiação térmica em meios participantes é um problema complexo devido à natureza integro-diferencial da equação governante e à dependência espectral altamente irregular das propriedades de radiação. Atualmente, o método mais preciso para resolver a integração espectral é o método linha-porlinha (LBL), que possui um custo computacional muito elevado. Para contornar essa dificuldade, o problema espectral é geralmente resolvido usando modelos espectrais e, consequentemente, a equação da transferência radiativa (RTE) é simplificada. Um destes modelos é o da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG), que substitui o comportamento espectral altamente irregular do coeficiente de absorção, por bandas de coeficientes de absorção uniforme e tem mostrado um bom desempenho em diversas aplicações, mesmo sendo um modelo bastante simplificado. Entretanto, recentemente alguns autores não obtiveram bons resultados ao tentar aplicar o WSGG a problemas de combustão em alta pressão. Este artigo desenvolve um modelo WSGG para CO2 e H2O em condições de alta pressão. Para validar o modelo, a emitância total é calculada usando os coeficientes WSGG e comparada à solução do LBL obtida usando o banco de dados espectrais HITEMP 2010. Os resultados mostraram grande convergência entre os valores de emitância de ambos os métodos, mesmo para valores de alta pressão, tanto para o CO2 quanto para H2O, provando que o método WSGG é aplicável a condições de alta pressão. O modelo também foi validado pelo cálculo do fluxo de calor e termo fonte radiativo, e comparando-os com os obtidos através do método LBL. O H2O teve melhores resultados para baixas pressões, enquanto o CO2 apresentou melhores resultados para pressões mais altas. O efeito da pressão total sobre a solução de LBL foi maior para o H2O, o que pode ser um dos motivos pelo qual os desvios foram maiores para os casos de alta pressão. / Thermal radiation is often a very important heat transfer mechanism in high pressure combustion processes due to the presence of participating media and the high temperatures involved. Solving thermal radiation in participating media is a tough problem due to the integro-differential governing equation and the complex spectral dependence of radiation properties. Currently, the most accurate method to solve the spectral integration is the line-byline (LBL) method, which has a very high computational cost. In order to avoid this drawback the spectral problem is usually solved using spectral models, and as a consequence the radiative transfer equation (RTE) is simplified. One of the models is the weighted-sum-ofgray- gases (WSGG) which replaces the highly irregular spectral behavior of the absorption coefficient by bands of uniform absorption coefficients, and has shown great performance a lot of applications even though it is a very simple model. However, recently some authors didn’t have good results when trying to apply the WSGG to high pressure combustion problems. This thesis develops a WSGG model for both CO2 and H2O on high pressure conditions. In order to validate the model the total emittance is calculated using the WSGG coefficients and compared to the LBL solution which was obtained using the HITEMP 2010 spectral emissivity database. The results showed that the emittance values from both methods were very close even for high pressure values for both CO2 and H2O proving that the WSGG method is applicable to high pressure conditions. The model was also validated by calculating the radiative heat flux and source, and comparing them with the LBL method. H2O had better results for low pressures while CO2 had better results for higher pressures. The effect of total pressure on the LBL solution was higher for H2O, which might be the reason why deviations were higher at high pressure values.

Neste trabalho são obtidos os coeficientes do modelo da Soma-Ponderada-dos-gases-cinza (WSGG) a partir do banco de dados HITEMP 2010, permitindo o uso do modelo com os dados mais precisos disponíveis atualmente. Neste trabalho também se faz uma comparação dos valores de emitância total obtidos a partir do modelo WSGG com valores benchmark, obtidos nesse trabalho, mostrando uma excelente concordância. Com os coeficientes obtidos, problemas unidimensionais de transferência de calor radiante são resolvidos de modo a comparar a solução obtida pelo modelo WSGG com a solução obtida pela integração LBL (solução benchmark). Nas comparações, diferentes perfis de temperatura, comprimentos de trajeto, gradientes de temperatura e concentrações de espécies são utilizadas. Em todos os casos é possível verificar uma boa concordância entre os resultados WSGG e LBL. Para comparações com perfil de temperatura parabólico, verifica-se erros locais abaixo de 8%. Para perfis de temperatura cossenoidais, é possível observar erros de até 18% para alguns casos, porém com erros médios menores que 1,6%. / In this work the coefficients for the Weighted Sum-of-Gray-Gases model (WSGG) are determined from HITEMP 2010 database, allowing the use of the model with the most accurate data available nowadays. This study also makes a comparison of the total emittance values obtained from the model with benchmark values, obtained in this work, showing an excellent agreement. With the obtained coefficients, one-dimensional radiant heat transfer problems are solved in order to compare the solution obtained by the WSGG model with the solution obtained by the LBL integration (benchmark solution). In the comparisons, different temperature profiles, path lengths, temperature gradients and species concentrations are used. In all cases it is possible to verify the good agreement of the WSGG and LBL results. For comparisons with parabolic temperature profile, the local error is below 8%. For cosine temperature profile, the local error is about 18% for some cases, but with average errors less than 1,6%.

A radiação térmica é frequentemente considerada um mecanismo de transferência de calor muito importante em processos de combustão em alta pressão, devido à presença de meios participantes e às altas temperaturas envolvidas. Resolver a radiação térmica em meios participantes é um problema complexo devido à natureza integro-diferencial da equação governante e à dependência espectral altamente irregular das propriedades de radiação. Atualmente, o método mais preciso para resolver a integração espectral é o método linha-porlinha (LBL), que possui um custo computacional muito elevado. Para contornar essa dificuldade, o problema espectral é geralmente resolvido usando modelos espectrais e, consequentemente, a equação da transferência radiativa (RTE) é simplificada. Um destes modelos é o da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG), que substitui o comportamento espectral altamente irregular do coeficiente de absorção, por bandas de coeficientes de absorção uniforme e tem mostrado um bom desempenho em diversas aplicações, mesmo sendo um modelo bastante simplificado. Entretanto, recentemente alguns autores não obtiveram bons resultados ao tentar aplicar o WSGG a problemas de combustão em alta pressão. Este artigo desenvolve um modelo WSGG para CO2 e H2O em condições de alta pressão. Para validar o modelo, a emitância total é calculada usando os coeficientes WSGG e comparada à solução do LBL obtida usando o banco de dados espectrais HITEMP 2010. Os resultados mostraram grande convergência entre os valores de emitância de ambos os métodos, mesmo para valores de alta pressão, tanto para o CO2 quanto para H2O, provando que o método WSGG é aplicável a condições de alta pressão. O modelo também foi validado pelo cálculo do fluxo de calor e termo fonte radiativo, e comparando-os com os obtidos através do método LBL. O H2O teve melhores resultados para baixas pressões, enquanto o CO2 apresentou melhores resultados para pressões mais altas. O efeito da pressão total sobre a solução de LBL foi maior para o H2O, o que pode ser um dos motivos pelo qual os desvios foram maiores para os casos de alta pressão. / Thermal radiation is often a very important heat transfer mechanism in high pressure combustion processes due to the presence of participating media and the high temperatures involved. Solving thermal radiation in participating media is a tough problem due to the integro-differential governing equation and the complex spectral dependence of radiation properties. Currently, the most accurate method to solve the spectral integration is the line-byline (LBL) method, which has a very high computational cost. In order to avoid this drawback the spectral problem is usually solved using spectral models, and as a consequence the radiative transfer equation (RTE) is simplified. One of the models is the weighted-sum-ofgray- gases (WSGG) which replaces the highly irregular spectral behavior of the absorption coefficient by bands of uniform absorption coefficients, and has shown great performance a lot of applications even though it is a very simple model. However, recently some authors didn’t have good results when trying to apply the WSGG to high pressure combustion problems. This thesis develops a WSGG model for both CO2 and H2O on high pressure conditions. In order to validate the model the total emittance is calculated using the WSGG coefficients and compared to the LBL solution which was obtained using the HITEMP 2010 spectral emissivity database. The results showed that the emittance values from both methods were very close even for high pressure values for both CO2 and H2O proving that the WSGG method is applicable to high pressure conditions. The model was also validated by calculating the radiative heat flux and source, and comparing them with the LBL method. H2O had better results for low pressures while CO2 had better results for higher pressures. The effect of total pressure on the LBL solution was higher for H2O, which might be the reason why deviations were higher at high pressure values.

A radiação térmica é frequentemente considerada um mecanismo de transferência de calor muito importante em processos de combustão em alta pressão, devido à presença de meios participantes e às altas temperaturas envolvidas. Resolver a radiação térmica em meios participantes é um problema complexo devido à natureza integro-diferencial da equação governante e à dependência espectral altamente irregular das propriedades de radiação. Atualmente, o método mais preciso para resolver a integração espectral é o método linha-porlinha (LBL), que possui um custo computacional muito elevado. Para contornar essa dificuldade, o problema espectral é geralmente resolvido usando modelos espectrais e, consequentemente, a equação da transferência radiativa (RTE) é simplificada. Um destes modelos é o da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG), que substitui o comportamento espectral altamente irregular do coeficiente de absorção, por bandas de coeficientes de absorção uniforme e tem mostrado um bom desempenho em diversas aplicações, mesmo sendo um modelo bastante simplificado. Entretanto, recentemente alguns autores não obtiveram bons resultados ao tentar aplicar o WSGG a problemas de combustão em alta pressão. Este artigo desenvolve um modelo WSGG para CO2 e H2O em condições de alta pressão. Para validar o modelo, a emitância total é calculada usando os coeficientes WSGG e comparada à solução do LBL obtida usando o banco de dados espectrais HITEMP 2010. Os resultados mostraram grande convergência entre os valores de emitância de ambos os métodos, mesmo para valores de alta pressão, tanto para o CO2 quanto para H2O, provando que o método WSGG é aplicável a condições de alta pressão. O modelo também foi validado pelo cálculo do fluxo de calor e termo fonte radiativo, e comparando-os com os obtidos através do método LBL. O H2O teve melhores resultados para baixas pressões, enquanto o CO2 apresentou melhores resultados para pressões mais altas. O efeito da pressão total sobre a solução de LBL foi maior para o H2O, o que pode ser um dos motivos pelo qual os desvios foram maiores para os casos de alta pressão. / Thermal radiation is often a very important heat transfer mechanism in high pressure combustion processes due to the presence of participating media and the high temperatures involved. Solving thermal radiation in participating media is a tough problem due to the integro-differential governing equation and the complex spectral dependence of radiation properties. Currently, the most accurate method to solve the spectral integration is the line-byline (LBL) method, which has a very high computational cost. In order to avoid this drawback the spectral problem is usually solved using spectral models, and as a consequence the radiative transfer equation (RTE) is simplified. One of the models is the weighted-sum-ofgray- gases (WSGG) which replaces the highly irregular spectral behavior of the absorption coefficient by bands of uniform absorption coefficients, and has shown great performance a lot of applications even though it is a very simple model. However, recently some authors didn’t have good results when trying to apply the WSGG to high pressure combustion problems. This thesis develops a WSGG model for both CO2 and H2O on high pressure conditions. In order to validate the model the total emittance is calculated using the WSGG coefficients and compared to the LBL solution which was obtained using the HITEMP 2010 spectral emissivity database. The results showed that the emittance values from both methods were very close even for high pressure values for both CO2 and H2O proving that the WSGG method is applicable to high pressure conditions. The model was also validated by calculating the radiative heat flux and source, and comparing them with the LBL method. H2O had better results for low pressures while CO2 had better results for higher pressures. The effect of total pressure on the LBL solution was higher for H2O, which might be the reason why deviations were higher at high pressure values.

Neste trabalho são obtidos os coeficientes do modelo da Soma-Ponderada-dos-gases-cinza (WSGG) a partir do banco de dados HITEMP 2010, permitindo o uso do modelo com os dados mais precisos disponíveis atualmente. Neste trabalho também se faz uma comparação dos valores de emitância total obtidos a partir do modelo WSGG com valores benchmark, obtidos nesse trabalho, mostrando uma excelente concordância. Com os coeficientes obtidos, problemas unidimensionais de transferência de calor radiante são resolvidos de modo a comparar a solução obtida pelo modelo WSGG com a solução obtida pela integração LBL (solução benchmark). Nas comparações, diferentes perfis de temperatura, comprimentos de trajeto, gradientes de temperatura e concentrações de espécies são utilizadas. Em todos os casos é possível verificar uma boa concordância entre os resultados WSGG e LBL. Para comparações com perfil de temperatura parabólico, verifica-se erros locais abaixo de 8%. Para perfis de temperatura cossenoidais, é possível observar erros de até 18% para alguns casos, porém com erros médios menores que 1,6%. / In this work the coefficients for the Weighted Sum-of-Gray-Gases model (WSGG) are determined from HITEMP 2010 database, allowing the use of the model with the most accurate data available nowadays. This study also makes a comparison of the total emittance values obtained from the model with benchmark values, obtained in this work, showing an excellent agreement. With the obtained coefficients, one-dimensional radiant heat transfer problems are solved in order to compare the solution obtained by the WSGG model with the solution obtained by the LBL integration (benchmark solution). In the comparisons, different temperature profiles, path lengths, temperature gradients and species concentrations are used. In all cases it is possible to verify the good agreement of the WSGG and LBL results. For comparisons with parabolic temperature profile, the local error is below 8%. For cosine temperature profile, the local error is about 18% for some cases, but with average errors less than 1,6%.

Neste trabalho são obtidos os coeficientes do modelo da Soma-Ponderada-dos-gases-cinza (WSGG) a partir do banco de dados HITEMP 2010, permitindo o uso do modelo com os dados mais precisos disponíveis atualmente. Neste trabalho também se faz uma comparação dos valores de emitância total obtidos a partir do modelo WSGG com valores benchmark, obtidos nesse trabalho, mostrando uma excelente concordância. Com os coeficientes obtidos, problemas unidimensionais de transferência de calor radiante são resolvidos de modo a comparar a solução obtida pelo modelo WSGG com a solução obtida pela integração LBL (solução benchmark). Nas comparações, diferentes perfis de temperatura, comprimentos de trajeto, gradientes de temperatura e concentrações de espécies são utilizadas. Em todos os casos é possível verificar uma boa concordância entre os resultados WSGG e LBL. Para comparações com perfil de temperatura parabólico, verifica-se erros locais abaixo de 8%. Para perfis de temperatura cossenoidais, é possível observar erros de até 18% para alguns casos, porém com erros médios menores que 1,6%. / In this work the coefficients for the Weighted Sum-of-Gray-Gases model (WSGG) are determined from HITEMP 2010 database, allowing the use of the model with the most accurate data available nowadays. This study also makes a comparison of the total emittance values obtained from the model with benchmark values, obtained in this work, showing an excellent agreement. With the obtained coefficients, one-dimensional radiant heat transfer problems are solved in order to compare the solution obtained by the WSGG model with the solution obtained by the LBL integration (benchmark solution). In the comparisons, different temperature profiles, path lengths, temperature gradients and species concentrations are used. In all cases it is possible to verify the good agreement of the WSGG and LBL results. For comparisons with parabolic temperature profile, the local error is below 8%. For cosine temperature profile, the local error is about 18% for some cases, but with average errors less than 1,6%.