Os processos de conversão de energia tendem a considerar cada vez mais restrições econômicas e ambientais, tornando-se necessário o entendimento da interação entre combustão e turbulência. Esta tese tem como objetivo o desenvolvimento de soluções numéricas para chamas difusivas de metanol e etanol, sob forma de um jato turbulento considerando a formação de NO. Como resultado, obteve-se um mecanismo reduzido de 16 passos para combustão de metanol e outro de 21 passos para etanol, mediante aplicação de análise de sensibilidade para o mecanismo detalhado de Marinov (1999). Estes mecanismos reduzidos foram empregados na simulação, e os resultados foram satisfatórios quando comparados com valores encontrados na literatura. Para determinação da geração de NO na chama, empregou-se o mecanismo de Zel’dovich. Devido a cinética de formação de NO por este mecanismo ser consideravelmente mais lenta do que a taxa de oxidação do combustível principal, foi possível tratar os dois mecanismos separadamente. Os resultados obtidos para formação de NO comparam favoravelmente com dados da literatura. / The energy conversion processes increasingly tend to consider the economical and environmental constraints, making it necessary to understand the interaction between combustion and turbulence. This thesis aims the development of numerical solutions for diffusion flames of methanol and ethanol in the form of a turbulent jet, considering the formation of NO. As a result, a reduced mechanism of 16 steps for methanol combustion and another of 21 steps for etanol combustion was obtained by applying a sensitivity analysis to the detailed mechanism of Marinov (1999). These reduced mechanisms were used in the simulation, and the results were satisfactory when compared with data found in the literature. In order to determine the NO generation in the flame, the Zel’dovich mechanism was applied. Because the NO kinetics formation by this mechanism is considerably slower than the oxidation rate of the main fuel, it was possible to treat the two mechanisms separately. The results obtained for NO formation compare favorably with literature data.

Os processos de conversão de energia tendem a considerar cada vez mais restrições econômicas e ambientais, tornando-se necessário o entendimento da interação entre combustão e turbulência. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de soluções analíticas para a fração de mistura de uma chama difusiva, sob forma de um jato turbulento axissimétrico. Foi desenvolvida, também, uma metodologia analíticonumérica para a determinação das frações mássicas dos componentes, considerando uma reação de combustão de dois passos. Os resultados foram comparados com dados experimentais encontrados na literatura para uma chama de hidrogênio H2=N2 (50/50% em volume). De modo geral, os resultados obtidos foram satisfatórios frente aos dados experimentais, sendo a principal limitação o fato das expressões analíticas obtidas não serem capazes de representar o jato próximo à saída do bocal, sendo válidas a partir de, aproximadamente, x=d > 10, onde x é a coordenada ao longo do comprimento do jato. A principal vantagem do método empregado neste trabalho é a diminuição da complexidade do sistema de equações a ser resolvido numericamente. / The energy conversion processes tend to consider even more economical and environmental constraints, making it necessary to understand the interaction between combustion and turbulence. This study aims at the development of analytical solutions for the mixture fraction of a diffusive flame in the form of an axisymmetric turbulent jet. It was also considered an analytical-numerical approach for the determination of the mass fractions of the compounds, for a two-step reaction. The results were compared with data found in literature for a hydrogen flame H2=N2 (50/50 % by volume). Overall, the results were satisfactory when compared with the experimental data, however the principal limitation was the fact that the analytical expressions were not able to represent the jet near the nozzle exit, being the solution valid from, approximately, x=d > 10, where x is the coordinate along the jet length. The main advantage of the method employed in this work is the decrease in the complexity of the equations system to be solved numerically.

Os processos de conversão de energia tendem a considerar cada vez mais restrições econômicas e ambientais, tornando-se necessário o entendimento da interação entre combustão e turbulência. Esta tese tem como objetivo o desenvolvimento de soluções numéricas para chamas difusivas de metanol e etanol, sob forma de um jato turbulento considerando a formação de NO. Como resultado, obteve-se um mecanismo reduzido de 16 passos para combustão de metanol e outro de 21 passos para etanol, mediante aplicação de análise de sensibilidade para o mecanismo detalhado de Marinov (1999). Estes mecanismos reduzidos foram empregados na simulação, e os resultados foram satisfatórios quando comparados com valores encontrados na literatura. Para determinação da geração de NO na chama, empregou-se o mecanismo de Zel’dovich. Devido a cinética de formação de NO por este mecanismo ser consideravelmente mais lenta do que a taxa de oxidação do combustível principal, foi possível tratar os dois mecanismos separadamente. Os resultados obtidos para formação de NO comparam favoravelmente com dados da literatura. / The energy conversion processes increasingly tend to consider the economical and environmental constraints, making it necessary to understand the interaction between combustion and turbulence. This thesis aims the development of numerical solutions for diffusion flames of methanol and ethanol in the form of a turbulent jet, considering the formation of NO. As a result, a reduced mechanism of 16 steps for methanol combustion and another of 21 steps for etanol combustion was obtained by applying a sensitivity analysis to the detailed mechanism of Marinov (1999). These reduced mechanisms were used in the simulation, and the results were satisfactory when compared with data found in the literature. In order to determine the NO generation in the flame, the Zel’dovich mechanism was applied. Because the NO kinetics formation by this mechanism is considerably slower than the oxidation rate of the main fuel, it was possible to treat the two mechanisms separately. The results obtained for NO formation compare favorably with literature data.

Os processos de conversão de energia tendem a considerar cada vez mais restrições econômicas e ambientais, tornando-se necessário o entendimento da interação entre combustão e turbulência. Esta tese tem como objetivo o desenvolvimento de soluções numéricas para chamas difusivas de metanol e etanol, sob forma de um jato turbulento considerando a formação de NO. Como resultado, obteve-se um mecanismo reduzido de 16 passos para combustão de metanol e outro de 21 passos para etanol, mediante aplicação de análise de sensibilidade para o mecanismo detalhado de Marinov (1999). Estes mecanismos reduzidos foram empregados na simulação, e os resultados foram satisfatórios quando comparados com valores encontrados na literatura. Para determinação da geração de NO na chama, empregou-se o mecanismo de Zel’dovich. Devido a cinética de formação de NO por este mecanismo ser consideravelmente mais lenta do que a taxa de oxidação do combustível principal, foi possível tratar os dois mecanismos separadamente. Os resultados obtidos para formação de NO comparam favoravelmente com dados da literatura. / The energy conversion processes increasingly tend to consider the economical and environmental constraints, making it necessary to understand the interaction between combustion and turbulence. This thesis aims the development of numerical solutions for diffusion flames of methanol and ethanol in the form of a turbulent jet, considering the formation of NO. As a result, a reduced mechanism of 16 steps for methanol combustion and another of 21 steps for etanol combustion was obtained by applying a sensitivity analysis to the detailed mechanism of Marinov (1999). These reduced mechanisms were used in the simulation, and the results were satisfactory when compared with data found in the literature. In order to determine the NO generation in the flame, the Zel’dovich mechanism was applied. Because the NO kinetics formation by this mechanism is considerably slower than the oxidation rate of the main fuel, it was possible to treat the two mechanisms separately. The results obtained for NO formation compare favorably with literature data.

Os processos de conversão de energia tendem a considerar cada vez mais restrições econômicas e ambientais, tornando-se necessário o entendimento da interação entre combustão e turbulência. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de soluções analíticas para a fração de mistura de uma chama difusiva, sob forma de um jato turbulento axissimétrico. Foi desenvolvida, também, uma metodologia analíticonumérica para a determinação das frações mássicas dos componentes, considerando uma reação de combustão de dois passos. Os resultados foram comparados com dados experimentais encontrados na literatura para uma chama de hidrogênio H2=N2 (50/50% em volume). De modo geral, os resultados obtidos foram satisfatórios frente aos dados experimentais, sendo a principal limitação o fato das expressões analíticas obtidas não serem capazes de representar o jato próximo à saída do bocal, sendo válidas a partir de, aproximadamente, x=d > 10, onde x é a coordenada ao longo do comprimento do jato. A principal vantagem do método empregado neste trabalho é a diminuição da complexidade do sistema de equações a ser resolvido numericamente. / The energy conversion processes tend to consider even more economical and environmental constraints, making it necessary to understand the interaction between combustion and turbulence. This study aims at the development of analytical solutions for the mixture fraction of a diffusive flame in the form of an axisymmetric turbulent jet. It was also considered an analytical-numerical approach for the determination of the mass fractions of the compounds, for a two-step reaction. The results were compared with data found in literature for a hydrogen flame H2=N2 (50/50 % by volume). Overall, the results were satisfactory when compared with the experimental data, however the principal limitation was the fact that the analytical expressions were not able to represent the jet near the nozzle exit, being the solution valid from, approximately, x=d > 10, where x is the coordinate along the jet length. The main advantage of the method employed in this work is the decrease in the complexity of the equations system to be solved numerically.

Os processos de conversão de energia tendem a considerar cada vez mais restrições econômicas e ambientais, tornando-se necessário o entendimento da interação entre combustão e turbulência. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de soluções analíticas para a fração de mistura de uma chama difusiva, sob forma de um jato turbulento axissimétrico. Foi desenvolvida, também, uma metodologia analíticonumérica para a determinação das frações mássicas dos componentes, considerando uma reação de combustão de dois passos. Os resultados foram comparados com dados experimentais encontrados na literatura para uma chama de hidrogênio H2=N2 (50/50% em volume). De modo geral, os resultados obtidos foram satisfatórios frente aos dados experimentais, sendo a principal limitação o fato das expressões analíticas obtidas não serem capazes de representar o jato próximo à saída do bocal, sendo válidas a partir de, aproximadamente, x=d > 10, onde x é a coordenada ao longo do comprimento do jato. A principal vantagem do método empregado neste trabalho é a diminuição da complexidade do sistema de equações a ser resolvido numericamente. / The energy conversion processes tend to consider even more economical and environmental constraints, making it necessary to understand the interaction between combustion and turbulence. This study aims at the development of analytical solutions for the mixture fraction of a diffusive flame in the form of an axisymmetric turbulent jet. It was also considered an analytical-numerical approach for the determination of the mass fractions of the compounds, for a two-step reaction. The results were compared with data found in literature for a hydrogen flame H2=N2 (50/50 % by volume). Overall, the results were satisfactory when compared with the experimental data, however the principal limitation was the fact that the analytical expressions were not able to represent the jet near the nozzle exit, being the solution valid from, approximately, x=d > 10, where x is the coordinate along the jet length. The main advantage of the method employed in this work is the decrease in the complexity of the equations system to be solved numerically.

A mixture-fraction-based thermodynamic equilibrium approach for modeling gas-phase combustion was adapted and used in FIRETEC, a wildfire computational fluid dynamics model. The motivation behind this work was the desire to incorporate the features of complex chemistry calculations from the thermodynamic equilibrium model into FIRETEC without significantly increasing the computational burden of the program. In order to implement the mixture-fraction-based thermodynamic equilibrium approach, a sub-grid pocket model was developed to simulate the local mixture fraction of sub-grid flame sheets. Numerical simulations of wildfires were performed using FIRETEC with the new sub-grid, mixture-fraction-based pocket model to model gas-phase combustion. The thermodynamic equilibrium model was used to calculate flame temperatures and combustion products, including CO2 and CO, for sub-grid, gas-phase combustion in FIRETEC simulations. Fire spread rates from simulations using the new sub-grid combustion model were 25-100% higher than fire spread rates from previous FIRETEC simulations, but the successes of modeling propagating fire lines and calculating detailed equilibrium combustion products from simulated sub-grid flame sheets demonstrated the feasibility of this new approach. Future work into the fine-tuning of pocket model parameters and modifying the conservation equation for energy in FIRETEC was recommended.

L'allumage d'ergols injectés dans une chambre de combustion, la propagation du noyau de flamme puis sa stabilisation sont autant de paramètres déterminants pour la conception d'un moteur fusée. Pour ce type d'application, il est nécessaire - du point de vue de la modélisation - de tenir compte du couplage existant entre les effets de compressibilité, les processus de mélange turbulent ainsi que de cinétique chimique, dans un environnement diphasique puisque les ergols sont injectés à l'état liquide. Un modèle Lagrangien a été implanté dans le code de calcul compressible N3S-Natur afin de disposer d'un outil numérique capable de simuler le transitoire d'allumage d'un moteur fusée. La physique représentative de chacun des processus physiques impliqués pendant la phase d'allumage a été incorporée puis validée sur des configurations académiques. Ce travail a permis de mettre en évidence l'importance de la description du mélange à petites échelles pour capturer correctement le développement de la flamme. Il a aussi mis en exergue la nécessité de prendre en compte le transitoire thermique des gouttes d'oxygène liquide afin de reproduire fidèlement sa stabilisation. Enfin, il a nécessité l'extension de la notion de fraction de mélange à des cas pratiques présentant plus de deux entrées afin d'être en mesure de simuler la propagation de l'allumage sur la plaque d'injection. Cette approche basée sur l'introduction d'un injecteur fictif est non seulement utile pour la simulation de l'allumage des moteurs-fusées mais peut aussi être employée dans tout autre système impliquant le mélange entre des courants de réactifs issus de deux entrées ou plus. / In the field of liquid rocket propulsion, ignition, propagation and stabilization of the flame are of first importance for the design of the engine. Computational fluid dynamics (CFD) solvers may provide a great deal of help to proceed with the primary design choice but need to be fed with suited physical models. Important modelling efforts are therefore required to provide reliable computational representations able to take into account compressibility effects, turbulent mixing and chemical kinetics in two-phase flows since ergols are injected at the liquid state. A Lagrangian model has been implemented in the compressible solver N3S-Natur so as to obtain a computational tool able to compute the transient ignition of rocket engines. The physical processes involved at each step of this ignition sequence have been integrated and validated on academically configurations. Three significant contributions rose from this work. First of all, it is highlighted that the description of the micro-mixing is of first importance to correctly capture the flame development. This study also emphasized the need to consider the transient heating of liquid oxygen droplets in order to accurately compute the flame stabilization. Finally, the notion of mixture fraction must be extended to practical devices implying more than two inlets. The proposed approach which is based on the introduction of a fictive injector is not only well suited to rocket engine ignition application but also to deal with other practical devices implying two inlets and more.