A combustão pulsante se apresenta como uma tecnologia promissora para atingir processos com melhor eficiência térmica com redução de emissão de alguns poluentes. Contudo, para o amadurecimento dessa tecnologia, faz-se necessário ainda pesquisas e desenvolvimentos tecnológicos para entender melhor os fenômenos envolvidos. Dentro desse contexto, o presente trabalho se propôs a estudar experimentalmente a influência do campo acústico na combustão de álcool em spray. Para esse experimento, foi projetado um queimador acústico com injetor centrífugo específico para essa tarefa. Os experimentos foram realizados em um combustor cilíndrico, vertical, com diâmetro de 25 cm, comprimento de 125 cm e refrigerado com água circulante em jaqueta. O campo acústico de ondas senoidais que excitou o combustor tinha pressão acústica entre 0 a 5kPa e a variação da freqüência entre 50 a 1300Hz. As medidas foram executadas nas freqüências de excitação do queimador. Os resultados mostraram que a presença do campo acústico pode reduzir consideravelmente as emissões de poluentes decorrentes de oxidação parcial como monóxido de carbono e hidrocarbonetos não queimados; contudo, para os óxidos de nitrogênio a redução desses só ocorre mediante algumas situações de oscilação e, sobretudo, em condições de combustão com elevado excesso de ar. Além disso, a equação da onda acústica foi calculada com as condições de contorno do experimento, concluindo-se que o deslocamento acústico é uma grandeza física melhor do que a freqüência para se estudar a combustão pulsante.

A combustão pulsante tem despertado interesse nas pesquisas atuais devido a indicações de que sua aplicação na geração de energia pode oferecer diversas vantagens, tais como economia de combustível, redução na formação de poluentes, aumento na taxa de transferência de calor por convecção e investimento reduzido, em comparação com outras novas tecnologias de combustão. Um estudo experimental foi conduzido com o objetivo de investigar os efeitos da combustão com a presença de oscilações acústicas na formação de fuligem em uma chama difusiva laminar de jato livre. O queimador de escala laboratorial operou com gás liquefeito e petróleo (GLP) com e sem oscilação, para as mesmas situações de entrada. O escoamento de combustível foi excitado acusticamente, antes da saída do queimador, por um alto-falante estrategicamente posicionado. Os experimentos foram conduzidos para uma vazão de 0.14 g/s de GLP. Para quantificar a presença de fuligem foi utilizada a técnica de incandescência induzida por laser. Os resultados indicam que em alguns casos, a combinação de freqüência e amplitude de oscilação na chama reduz a presença de fuligem praticamente à zero.

A presente tese investigou experimentalmente a influência de oxigênio na presença de fuligem em chamas parcialmente pré-misturadas, utilizando Gás Liquefeito de Petróleo - GLP como combustível. Investigou-se a influência do número de Reynolds do jato reativo laminar, da razão de equivalência e da potência térmica teoricamente liberada. Para detecção de fuligem na chama utilizou-se a técnica de incandescência induzida por laser e os resultados mostraram que a presença de oxigênio em chamas parcialmente pré-misturadas pode representar uma ferramenta útil no controle de fuligem para dispositivos práticos de combustão.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre a influência do campo acústico na emissão de radicais instáveis e no perfil de velocidade de uma chama difusiva de GLP (Gás Liquefeito de Petróleo). Para tanto, foram empregadas as técnicas de espectroscopia de emissão e Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Para determinadas combinações de freqüência e amplitude, a chama teve sua superfície diminuída, houve o desenvolvimento de uma região azul e a redução da altura da chama, todos indicadores de uma melhor mistura combustível-ar. Os dados espectroscópicos mostraram que os maiores sinais de emissão dos radicais, CH$^{*}$ e C$_{2}^{*}$, estavam associados à zona azul da chama e às maiores amplitudes da pressão acústica impostas ao jato de combustível. Os experimentos com PIV mostraram que o jato é modulado pelas condições de excitação acústica. No momento em que o jato era expandido, verificou-se a intensificação das instabilidades na interface jato-ar, as quais apresentaram-se como vórtices de grande escala. No momento de compressão, esses vórtices de grande escala eram "quebrados", resultando em vórtices de pequena escala no interior do jato, os quais intensificam a taxa de mistura entre combustível-ar.

Pulsating combustion is a technique that directly intervenes in combustion processes modifying pollutant emissions and increasing thermal efficiency by varying pressure and temperature in the flame region. The pulsations accelerate mixture rate between oxidant and fuel, resulting in a more intense combustion process, with low fuel waste and potential for low emission of pollutants originated by partial combustion, such as carbon monoxide, unburned hydrocarbons, and soot. The flame structure is modified by introducing an acoustic field in the process, and the flame has its color changed from yellowish, with a high formation of soot, to bluish. This bluish color of the flame is a feature of premixed flames. The main focus of this work is to use acoustic field in order to promote a homogeneous mixture between oxidant and natural gas under extremely lean conditions, thereby trying to conciliate low emissions of both incomplete combustion products and NOx. Besides, a preliminary study was carried out in order to figure out how combustion instabilities could affect the combustion process. It was verified that combustion instability occurrence is strongly influenced by energy availability and flame velocity. Moreover, when considering pollutant emissions, it was noticed that when the maximum acoustic velocity overcame the flow velocity, there was inversion of pollutant emission behavior due to flow reversibility and deceleration. Therefore, acoustic displacement is the most important parameter to understand and control pollutant emissions. Furthermore, at some conditions, especially at low frequency, it was possible to reduce partial combustion product emissions without prompting NOx formation. .

This work presents one and two dimensional numerical results for combustion of an air/methane mixture in inert porous media, using both laminar and turbulence models, and radiation. Comparisons with experimental data are reported. The burner used as reference is composed by a preheating section followed by a combustion region. Macroscopic equations for mass, momentum and energy are obtained based on the volume average concept. Distinct energy equations are considered for the solid phase and the flowing gas. The numerical technique employed for discretizing the governing equations was the control volume method with a boundary-fitted non-orthogonal coordinate system. The SIMPLE algorithm was used to relax the entire equation set. Inlet velocity, excess air ratio, porosity and solid thermal conductivity were varied in order to investigate their effect on temperature profiles and flame front position. Results indicate that higher inlet velocities result in higher gas temperatures, pushing the flame front towards the exit of the burner, following a similar trend observed in the experimental data used for comparisons. Burning mixtures close to the stoichiometric conditions also increased temperatures, as expected, and brings the flame front to preheating region, next to inlet. Increasing the thermal conductivity of the preheating section reduced peak temperature in combustion region. The use of porous material with very high thermal conductivity on the combustion region did not affect significantly temperature levels or flame front profiles.

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.

Os materiais energéticos têm sido utilizados ao longo dos tempos em aplicações civis e militares. De forma concomitante, estudos foram direcionados focando os mecanismos de combustão desses materiais, incluindo seu comportamento cinético e termodinâmico durante a queima. O objetivo do presente trabalho foi estudar de forma sistemática os mecanismos de decomposição térmica da dinitramida de amônio (ADN), perclorato de amônio (AP), isolado e formulado como propelente sólido compósito, além do hidrogênio, por meio de simulação computacional. Foram levados em conta todos os parâmetros cinéticos e termodinâmicos para a realização destas simulações. Além disso, foi realizada a determinação dos parâmetros de Arrhenius para as reações elementares que envolvem o mecanismo global de decomposição térmica do hidrogênio por métodos de química quântica molecular. O comportamento da combustão da ADN para o caso do grão propelente sólido instalado na câmara de combustão de um motor-foguete convencional foi comparado ao comportamento quando em sistema aberto, nas condições ambiente. O livre fornecimento de oxigênio no sistema aberto acarreta um aumento significativo na velocidade das reações elementares do mecanismo global. A decomposição térmica do AP foi simulada nas condições de queima do grão instalado na câmara de combustão de um motor-foguete, de forma isolada ou formulado no "binder" de polibutadieno líquido hidroxilado (PBLH). Os resultados mostraram que a pressão do meio é um fator crítico na queima do AP isolado, enquanto para o AP formulado com PBLH, a variação no comportamento de queima em função da pressão pode ser desconsiderada. Por meio de métodos de química quântica molecular, foram determinados os parâmetros cinéticos e termodinâmicos das reações elementares do mecanismo de combustão do hidrogênio. Estes resultados foram comparados com os obtidos experimentalmente por meio de simulação de queima em um reator em regime transiente. Notou-se que mudanças no valor absoluto da energia de ativação acarretaram variações significativas no comportamento global da decomposição térmica do material.

In the last decade the hybrid propulsion has been considering as a viable alternative of chemical energy conversion stored in propellants into kinetic energy. This energy is applied in propulsive systems of manned platforms, maneuvering procedures and even in the repositioning process of micro satellites. It presents attractive features and good balance between performance and environmental impact. Paraffin based grains are the hybrid solid fuels appointed as polymeric fuel substitute. The liquid layer formed on the burning surface ensures high regression rate when driven into the flame front. Paraffin grains allow raw material recovery and reduce the risk of explosion in the presence of erosive burning. The structure of the grain and the control of the liquefying burning surface layer depend on the additives concentration, such as carbon black, which are added to the fuel matrix during the production process. In the solid propellant paraffin based grain a cylindrical center port developed during the centrifugation tends to concentrate carbon black in the outer region of the grain. The influence of carbon black distribution and hardness gradient in paraffin based grain were evaluated in this work. Despite being a well-known material, scarce data on the relation of activation energy (Ea) of paraffin is available. In this work, the kinetic parameters (activation energy and pre-exponential factor) of microcrystalline 140/1450F paraffin have been raised through Thermo Gravimetric Analysis in conjunction with the Arrhenius kinetic mechanism, according to ASTM-E1461. The analysis indicated that the microcrystalline 140/1450F paraffin presents activation energy of 242 kJ.mol-1 and pre-exponential factor from 1.42x1020 min-1 to 2.90x1025 min-1. Ignition was achieved with a 50 W pyrotechnic igniter. Firing tests with 140/1450F paraffin as solid fuel and gaseous oxygen (GOX) as oxidizer were carry on at pressure above 3.8 MPa. The study suggests that multiple thin layers grain may generate burning surfaces with hardness and carbon black concentration almost constant. In this work combustion instability presented by rocket engine was calculated applying the frequency and boundary layer delay time relationship as proposed by Karabeyoglu. The frequency instability up to was evaluated using LabVIEW data acquisition system. In hybrid propulsion the carbon black has been playing a key role in the gas production process on the burning surface, the contribution of carbon black in the combustion instability suppression of hybrid propulsion system with paraffin-based propellant was evaluated. The results confirm the potential use of paraffin base propellant grains loaded with carbon black charge in hybrid propulsion. Paraffin propellants grains doped with carbon black (CB - from 2% to 8%) were burned on the rocket engine test workbench in the Aeronautical Engineering Laboratory / ITA. In the hybrid combustion performance evaluation based on conventional methods approach, it was applied graphical means to visualize the flow path results. Through the flow profile adjustment it was identified a global regression rates values near the practical grain consumption. The model represented graphically the relationships between oxidizer mass flow rate from with injection pressure from and it is recommended as a tool to help the hybrid propulsion performance assessment.