Modelos algébricos para prever o comprimento de uma chama turbulenta têm sido foco de estudo de diversos grupos de pesquisa por suas aplicações na área de engenharia. O método experimental para obter o modelo varia desde visualizações simples, até técnicas fotográficas, este último com parâmetros fotográficos variando entre os autores. Técnicas fotográficas são usadas para estimar a altura de levantamento da base da chama, (Lift-Off) e o comprimento médio visível de chama (Visible Flame Length, VFL). Duas técnicas comuns que podem ser encontradas na literatura: por imagens de chama com baixo tempo de exposição e longo tempo de exposição, são comparados com um terceiro que se baseia na intensidade luminosa e na frequência de imagens de chama que ocupam um pixel. O melhor método foi utilizado para caracterizar o comportamento das chamas turbulentas de gás natural para diferentes regimes de velocidade do escoamento. Modelos algébricos que preveem o comprimento de chama, altura de levantamento e a velocidade crítica de extinção de chama são avaliados com os novos resultados experimentais. Logo após, os coeficientes numéricos dos melhores modelos algébricos são reajustados Finalmente, foram obtidos mapas de estabilidade relacionados à altura de levantamento e à velocidade crítica de extinção de chama para cada diâmetro em função da diluição com CO2 e do número adimensional de Reynolds. A terceira parte deste trabalho está focada no estudo da distribuição de radiação térmica. Em particular, foram consideradas três distâncias radiais medidas em comprimentos de chama (0,5 Lf, 1 Lf, 2 Lf) visando obter a distribuição do fluxo radiante experimental ao longo de um eixo vertical adjacente às chamas. Finalmente, os dados experimentais foram utilizados como dados de entrada em uma análise inversa com o objetivo de calcular os fatores de ponderação do modelo das múltiplas fontes ponderadas (por suas siglas em inglês WMPS). Nesta última parte, são apresentados frações radiantes e distribuições de fluxo de calor radiante de chamas de gás natural diluídas para diversas diluições com dióxido de carbono e diâmetros do queimador. / Predicting models for turbulent diffusion flame lengths have several applications driven the attention of many research groups. Since several studies use photographs to measure the flame length, with photographic parameters varying among authors, in other cases simple visualizations were used. It is important to explore possible discrepancies among measurement technics that could affect the results. Optical visualizations of turbulent diffusion flames are used to estimate the visible average flame length (VFL) and the lift-off. The study presents a study of three different methods to measure the VFL using optical techniques. The effect on the image of the main optic parameters such as focus, exposure time and ISO sensibility are analyzed. The VFL obtained with images in low exposure time and long exposure time are compared with a third optical method that is based on the luminous intensity and the frequency of flame images occupying a pixel. One method was used to characterize the behavior of turbulent diffusion flames of natural gas for a range of flames in function of the flow velocity. Universal non-dimensional models that describe the VFL, lift-off and the blow-out stability limit of gaseous jet diffusion flames in the still air have been compared with new experimental data. The numerical coefficients of the best models are adjusted. Finally, maps of stability related to lift-off and blow-out were obtained for each diameter in function of the dilution with CO2 and flow exit velocity expressed in non-dimensional Reynolds number The third part of this work focuses on the estimation of the thermal distribution of radiative flux from turbulent diffusion flames in laboratory-scale. The experimental measurements were gotten from the previous stability study. In particular, was considered three radial distances measured in flame lengths (0,5 Lf, 1 Lf, 2 Lf) aiming at obtaining the experimental radiant flux along a vertical axis adjacent to the flames. Finally, the experimental data was used as input data in an inverse analysis with the purpose of computing weight coefficients of the weighted multi-point source (WMPS) model. Then, experimental data that include: radiant fractions and radiative heat flux are presents for several flames with different dilutions with carbon dioxide and burner´s diameters.

Submitted by Leonardo Cavalcante (leo.ocavalcante@gmail.com) on 2018-06-08T09:59:33Z No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 3643438 bytes, checksum: 6fd84d23d2fc6cbabb0990fff76832f1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-08T09:59:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 3643438 bytes, checksum: 6fd84d23d2fc6cbabb0990fff76832f1 (MD5) Previous issue date: 2017-02-16 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Introduction: The planet's climate change may raise the average temperature in all regions of Brazil. As there has been an increase in the insertion of technological innovations of communication and information (news ICT) in educational institutions, which can contribute to the increase in thermal radiation, it is therefore important to investigate how this increase in these environments may interfere with the comfort and performance of students. In the equation formulated by Fanger (1970), the thermal radiation factor is represented by the mean radiant temperature (Trm), but its impact on thermal comfort is often ignored. The globe temperature (Tg) is one of the variables of the equations for the calculation of the mean radiant temperature. It corresponds to the temperature that allows evaluating the level of thermal radiation of the existing surfaces in an environment where a significant difference between the globe temperature and the temperature of the air can demonstrate some increase of thermal radiation in the work environment. Objective: To investigate if the behavior of the globe temperature in relation to the air temperature (Tg-Ta), observing the variation of the mean radiant temperature, could have repercussion in the performance of students in intelligent teaching environments in areas of the Brazil's regions. Methods: The methodological procedures adopted in this work consisted of the following steps: analysis of thermal variables: Trm and (Tg-Ta); analysis of students' performance, analysis of architectural elements and construction of the mathematical model. The study was carried out in computerized laboratories with News ICT in the following institutions: UFPI, Teresina-Piauí (A); UFSC, Florianópolis-Santa Catarina (B); UnB, Brasília-Federal District (C); UNIVASF, Petrolina-Pernambuco (D); ICMC, São Carlos-SP (E); UFAM, Manaus-Amazonas (F); CE of the PM, João Pessoa, Paraíba (G). The students answered a questionnaire adapted from the Bateria de Provas de Raciocínio (BPR-5) on three consecutive days at different temperatures, while the thermal conditions were measured and the design and architectural elements were analyzed. Results: It was verified that in the three consecutive days, there was no heat exchange by radiation between the student and his environment in the laboratories of institutions C and F, demonstrating that in the other laboratories of institutions A, B, E and G there was heat exchange by radiation. It is noteworthy that in the laboratory of institution G this heat exchange was more pronounced, such that the mean radiant temperature at any given time exceeded the globe temperature at 2.25°Chcg/ 𝜀𝑔𝜎. However, their architectural analysis signaled that the design was adequate. So probably, the heat sources inside the laboratory should have provided increased thermal radiation, given that the number of students and laptops were representative. Thus, in the sense of confirming these findings, it was verified through the mathematical modeling that with each increase of one degree in the difference between the globe temperature and the air temperature (Tg-Ta), the students' performance in the computer laboratory of the Institution G decreased by around 29%. Therefore, the higher the mean radiant temperature, the higher the thermal radiation in this laboratory, and this increase may compromise student performance. Conclusion: Productivity may change due to changes in air temperature in air-conditioned teaching environments, as has already been demonstrated by international publications. In this specific case, if Tg >> Ta, the thermal radiation may possibly interfere with the performance of people present in environments equipped with technological innovations in communication and information (News ICT). / Introdução: As alterações climáticas do planeta poderão elevar ainda mais a temperatura média em todas as regiões do Brasil, e como tem havido um crescimento da inserção de inovações tecnológicas de comunicação e informação (news ICT) em ambientes de ensino, o que pode colaborar para o aumento da radiação térmica, torna-se assim importante investigar como esse aumento nesses ambientes poderá interferir no conforto e desempenho de estudantes. Na equação formulada por Fanger (1970), o fator de radiação térmica é representado pela temperatura radiante média (Trm), mas seu impacto sobre o conforto térmico é muitas vezes ignorado. A temperatura de globo (Tg) é uma das variáveis das equações para o cálculo da temperatura radiante média e a mesma corresponde a temperatura que permite avaliar o nível de radiação térmica das superfícies existentes em um ambiente donde uma diferença significativa entre a temperatura de globo e a temperatura do ar pode demonstrar certo aumento da radiação térmica no ambiente de trabalho. Objetivo: Investigar se a relação entre a temperatura de globo e a temperatura do ar (Tg-Ta), observando a variação da temperatura radiante média, poderá ter repercussão no desempenho de estudantes em ambientes inteligentes de ensino (News ICT) em áreas das regiões brasileiras. Métodos: Os procedimentos metodológicos adotados neste trabalho consistiram nas etapas: análise das variáveis térmicas: trm e (tg-ta); análise do desempenho dos estudantes, análise dos elementos arquitetônicos e construção do modelo matemático. O estudo foi realizado em laboratórios de informática climatizados com News ICT nas seguintes instituições: UFPI, Teresina-Piauí (A); UFSC, Florianópolis-Santa Catarina (B); UnB, Brasília-Distrito Federal (C); UNIVASF, Petrolina-Pernambuco (D); ICMC, São Carlos-SP (E); UFAM, Manaus-Amazonas (F); CE da PM, João Pessoa, Paraíba (G). Os estudantes responderam a um questionário adaptado da Bateria de Provas de Raciocínio (BPR-5) em três dias consecutivos a diferentes temperaturas, enquanto as condições térmicas eram medidas e o projeto e elementos arquitetônicos eram analisados. Resultados: Constatou-se que nos três dias consecutivos só não houve troca de calor por radiação entre o estudante e seu ambiente nos laboratórios das instituições C e F, demonstrando que nos outros laboratórios das instituições A, B, D, E e G houve troca de calor por radiação. Ressalta-se que no laboratório da instituição G essa troca de calor foi mais acentuada, tal que a temperatura radiante média em dado instante superou a temperatura de globo em 2,25 °C hcg/ 𝜀𝑔𝜎. Entretanto, sua análise arquitetônica sinalizou que o projeto tinha mais aspectos positivos.Logo, provavelmente as fontes de calor no interior do laboratório devem ter proporcionado aumento da radiação térmica, haja vista que o número de estudantes e laptops eram representativos. Assim, no sentido de confirmar esses achados, constatou-se através da modelagem matemática que a cada aumento de um grau na diferença entre a temperatura de globo e a temperatura do ar (Tg-Ta), o desempenho dos estudantes no laboratório de informática da instituição G diminuía em torno de 29%, constatando que, quanto maior a temperatura radiante média, maior será a radiação térmica nesse laboratório, e esse aumento poderá comprometer o desempenho dos estudantes. Conclusão: Como a produtividade pode sofrer alterações devido às mudanças de temperatura do ar em ambientes de ensino climatizados, conforme já comprovado por publicações internacionais, neste caso específico, se Tg>>Ta, possivelmente a radiação térmica poderá interferir no desempenho das pessoas presentes em ambiente providos de inovações tecnológicas de comunicação e informação (News ICT).

Simulações acopladas do escoamento reativo e dos processos de transferência de calor para o estudo de chamas são problemas dispendiosos computacionalmente. A transferência de calor por radiação em processos de combustão, devido às elevadas temperaturas, é o processo de troca energética dominante. Ainda, o comportamento altamente irregular do coeficiente de absorção com o comprimento de onda se constitui em uma dificuldade adicional na modelagem da transferência radiativa em meios participantes. Para contornar essa dificuldade modelos espectrais foram desenvolvidos com o objetivo de simular o comportamento de um gás real. Dentre esses modelos destacam-se o gás cinza (GG: Gray Gas), o mais simples, que negligencia o comportamento espectral do coeficiente de absorção, e o modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG: Weighted-Sum-of-Gray-Gases) onde a integração sobre todo o espectro é substituída por um número finito de gases cinza. Com o avanço de ferramentas computacionais, principalmente códigos CFD (Computational Fluid Dynamics), abordagens computacionais se tornaram atrativas frente ou em complemento às abordagens experimentais. Desse modo, o presente trabalho tem por objetivo a aplicação dos modelos WSGG e GG com novas correlações na simulação detalhada de chamas difusivas laminares de metano diluído com dióxido de carbono e nitrogênio com o código CFD comercial ANSYS/Fluent. Foram desenvolvidas rotinas de usuário (UDF: User-Defined Functions) para o acoplamento dos modelos espectrais ao código CFD. A verificação das rotinas de usuário foi realizada comparando os resultados obtidos via simulação Fluent com dados obtidos pelo modelo WSGG com um código FORTRAN próprio desenvolvido pelo grupo de pesquisa do Laboratório de Radiação Térmica (LRT/UFRGS) para o problema unidimensional de superfícies negras e infinitas preenchidas por um meio não-isotérmico e não-homogêneo. Os erros encontrados para o fluxo de calor radiativo nas superfícies e para o termo fonte radiativo ao longo do meio foram da ordem de 1% indicando o funcionamento correto das rotinas UDF acopladas ao Fluent. Por fim, as rotinas foram aplicadas na simulação numérica para chamas de potência constante com diluição dos reagentes e os dados obtidos com a solução numérica foram comparados com dados experimentais para a fração radiante e fluxo de calor radiativo. Os desvios médios encontrados para o fluxo de calor radiativo ficaram em torno de 10% para todas as chamas, excetuando as chamas com diluição de CO2 de 30%, 40% e 50%, em volume, para as quais os desvios médios ficaram em torno de 15%. O termo fonte para as chamas apontou para a predominância da emissão do meio em relação à absorção. Todas as chamas estudadas se encontram no regime opticamente fino (optically thin) para o qual, segundo apontam estudos da literatura, a escolha do modelo espectral possui impacto pequeno em resultados globais da chama como a temperatura e a concentração das espécies na mistura. Nesse aspecto os resultados encontrados concordaram com a previsão da literatura, entretanto para a transferência radiativa, o modelo GG se mostrou sensivelmente menos preciso em comparação ao modelo WSGG, principalmente para a fração radiante e para o fluxo radiativo na região da pluma aquecida, indicando a dependência do modelo espectral adotado. / Coupled simulations of the reactive flow with the heat transfer processes for flame studying are computationally demanding problems. The radiative transfer in combustion processes is the main heat transfer mechanism due to the high temperatures involved. However, the highly irregular behavior o f the absorption coefficient with the wavenumber composes in an additional difficulty on modeling the radiative transfer in participating media. In order to overcome this issue, spectral models were developed with the objective of simulate the behavior of real gases. Some of the most known models are the gray gas (GG) for which the spectral behavior of the radiative properties of the medium is neglected and the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) for which the integration over the entire spectrum is replaced by a summation over a finite number of gray gases with constant absorption coefficients. With the development of computational tools, mainly Computational Fluid Dynamics (CFD) codes, numerical approaches became attractive instead or in complement of experimental set ups. In this way, the present work aims to couple the WSGG and the GG models with new correlations in a detailed simulation of diffusive laminar flames of methane diluted with carbon dioxide and nitrogen with the commercial CFD code ANSYS/Fluent. User-defined functions (UDF) were developed to the coupling of the spectral models. The verification was carried out through the WSGG model by comparing the Fluent solution with a solution obtained with a FORTRAN code developed by the Thermal Radiation Laboratory (LRT/UFRGS) research group for the one-dimensional system of black surfaces filled with a non-homogeneous and non-isothermal medium. The deviations for the radiative heat flux for the walls and the radiative heat source along the domain were of 1% or less, indicating the correct coupling between the UDF routines and the CFD code. Finally, the UDF were applied in the solution of constant power flames with fuel diluted with carbon dioxide and nitrogen. The obtained data was then compared with experimental measurements for the radiant fraction and the radiative heat flux along the flame axis. The average deviations found were in order of 10% for all flames, except for the flames with 30%, 40% and 50% of CO2 dilution, in volume, for which the deviatioms found were in order of 15%. The radiative heat source was plotted and indicated for the medium emission predominance in comparison with the medium absorption. All flames studied were optically thin flames for which, studies pointed, the spectral model have minor impact over global results as flame temperature and mixture concentration. For this aspect the results found showed agreement with the literature studies predictions, however the GG model showed itself less accurate in comparison with the WSGG model for the radiant fraction and the radiative heat flux computations. So the spectral models have influence on the radiative transfer even if its effect on flame structure can be negligible.

A interação turbulência-radiação (TRI, do inglês Turbulence-Radiation Interaction) resulta do acoplamento altamente não linear entre flutuações da intensidade de radiação e flutuações da temperatura e da composição química do meio, e tem-se demonstrado experimentalmente, teoricamente e numericamente que este é um fenômeno relevante em diversas aplicações envolvendo altas temperaturas, especialmente em problemas reativos. Neste trabalho, o TRI é analisado em um escoamento interno não reativo de um gás participante que se desenvolve em um duto de seção transversal quadrada, para diferentes intensidades de turbulência do escoamento e considerando duas espécies distintas para a composição do fluido de trabalho (dióxido de carbono e vapor de água). O objetivo central é avaliar como a inclusão ou não da variação espectral das propriedades radiativas do meio no cálculo influencia a magnitude do TRI. Isso é feito através de simulações numéricas no código de dinâmica dos fluidos computacional Fire Dynamics Simulator (FDS), que resolve, através do método dos volumes finitos, as equações fundamentais que regem o problema – isto é, os balanços de massa, de quantidade de movimento e de energia e a equação de estado – em uma formulação adequada para baixos números de Mach, utilizando um algoritmo de solução explícito e de segunda ordem no tempo e no espaço. A turbulência é modelada através da simulação de grandes escalas (LES, do inglês Large Eddy Simulation), empregando-se o modelo de Smagorinsky dinâmico para o fechamento dos termos submalha; para a radiação térmica, o método dos volumes finitos é utilizado na discretização da equação da transferência radiativa e os modelos do gás cinza e da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG, do inglês Weighted-Sum-of-Gray-Gases) são implementados como forma de desconsiderar e de incluir a dependência espectral das propriedades radiativas, respectivamente. A magnitude do TRI sobre o problema é avaliada através de diferenças entre as médias temporais dos fluxos de calor superficiais e do termo fonte radiativo obtidas em cálculos que consideram os efeitos do fenômeno e cálculos que os negligenciam. Em geral, a interação turbulência-radiação mostrou ser pouco importante em todos os casos considerados, o que concorda com resultados de outros estudos sobre o tema em escoamento não reativos. Com o modelo WSGG, as contribuições do fenômeno foram maiores do que com a hipótese do gás cinza, evidenciando que a inclusão da variação espectral na solução do problema radiativo tem um impacto sobre a magnitude dos efeitos do TRI. Além disso, é feita uma discussão, em parte inédita no contexto do TRI, sobre diferentes metodologias para a análise do fenômeno. Finalmente, é proposto um fator de correção para o termo fonte radiativo médio no modelo WSGG, que é validado através de sua implementação nos casos simulados. Em estudos futuros, uma análise de sensibilidade sobre os termos constituintes desse fator de correção pode levar a um melhor entendimento de como as flutuações de temperatura se correlacionam com o fenômeno da interação turbulência-radiação. / Turbulence-radiation interaction (TRI) results from the highly non-linear coupling between fluctuations of radiation intensity and fluctuations of temperature and chemical composition of the medium, and its relevance in a number of high-temperature problems, especially when chemical reactions are included, has been demonstrated experimentally, theoretically, and numerically. In the present study, the TRI is analyzed in a channel flow of a non-reactive participating gas for different turbulence intensities of the flow at the inlet and considering two distinct species for the medium composition (carbon dioxide and water vapor). The central objective is to evaluate how the inclusion or not of the spectral variation of the radiative properties of a participating gas in the radiative transfer calculations affects the turbulence-radiation interaction. With this purpose, numerical simulations are performed using the computational fluid dynamics Fortranbased code Fire Dynamics Simulator, that employs the finite volume method to solve a form of the fundamental equations – i.e., the mass, momentum and energy balances and the state equation – appropriate for low Mach number flows, through an explicit second-order (both in time and in space) core algorithm. Turbulence is modeled by the large eddy simulation approach (LES), using the dynamic Smagorinsky model to close the subgrid-scale terms; for the thermal radiation part of the problem, the finite volume method is used for the discretization of the radiative transfer equation and the gray gas and weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) models are implemented as a way to omit and consider the spectral dependence of the radiative properties, respectively. The TRI magnitude in the problem is evaluated by differences between values for the time-averaged heat fluxes at the wall (convective and radiative) and for the time-averaged radiative heat source calculated accounting for and neglecting the turbulence-radiation interaction effects. In general, TRI had little importance over all the considered cases, a conclusion that agrees with results of previous studies. When using the WSGG model, the contributions of the phenomenon were greater that with the gray gas hypothesis, demonstrating that the inclusion of the spectral variance in the solution of the radiative problem has an impact in the TRI effects. Furthermore, this paper presents a discussion, partly unprecedented in the context of the turbulence-radiation interaction, about the different methodologies that can be used for the TRI analysis. Finally, a correction factor is proposed for the time-averaged radiative heat source in the WSGG model, which is then validated by its implementation in the simulated cases. In future studies, a sensibility analysis on the terms that compose this factor can lead to a better understanding of how fluctuations of temperature correlate with the turbulence-radiation interaction phenomenon.

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.

Modelos algébricos para prever o comprimento de uma chama turbulenta têm sido foco de estudo de diversos grupos de pesquisa por suas aplicações na área de engenharia. O método experimental para obter o modelo varia desde visualizações simples, até técnicas fotográficas, este último com parâmetros fotográficos variando entre os autores. Técnicas fotográficas são usadas para estimar a altura de levantamento da base da chama, (Lift-Off) e o comprimento médio visível de chama (Visible Flame Length, VFL). Duas técnicas comuns que podem ser encontradas na literatura: por imagens de chama com baixo tempo de exposição e longo tempo de exposição, são comparados com um terceiro que se baseia na intensidade luminosa e na frequência de imagens de chama que ocupam um pixel. O melhor método foi utilizado para caracterizar o comportamento das chamas turbulentas de gás natural para diferentes regimes de velocidade do escoamento. Modelos algébricos que preveem o comprimento de chama, altura de levantamento e a velocidade crítica de extinção de chama são avaliados com os novos resultados experimentais. Logo após, os coeficientes numéricos dos melhores modelos algébricos são reajustados Finalmente, foram obtidos mapas de estabilidade relacionados à altura de levantamento e à velocidade crítica de extinção de chama para cada diâmetro em função da diluição com CO2 e do número adimensional de Reynolds. A terceira parte deste trabalho está focada no estudo da distribuição de radiação térmica. Em particular, foram consideradas três distâncias radiais medidas em comprimentos de chama (0,5 Lf, 1 Lf, 2 Lf) visando obter a distribuição do fluxo radiante experimental ao longo de um eixo vertical adjacente às chamas. Finalmente, os dados experimentais foram utilizados como dados de entrada em uma análise inversa com o objetivo de calcular os fatores de ponderação do modelo das múltiplas fontes ponderadas (por suas siglas em inglês WMPS). Nesta última parte, são apresentados frações radiantes e distribuições de fluxo de calor radiante de chamas de gás natural diluídas para diversas diluições com dióxido de carbono e diâmetros do queimador. / Predicting models for turbulent diffusion flame lengths have several applications driven the attention of many research groups. Since several studies use photographs to measure the flame length, with photographic parameters varying among authors, in other cases simple visualizations were used. It is important to explore possible discrepancies among measurement technics that could affect the results. Optical visualizations of turbulent diffusion flames are used to estimate the visible average flame length (VFL) and the lift-off. The study presents a study of three different methods to measure the VFL using optical techniques. The effect on the image of the main optic parameters such as focus, exposure time and ISO sensibility are analyzed. The VFL obtained with images in low exposure time and long exposure time are compared with a third optical method that is based on the luminous intensity and the frequency of flame images occupying a pixel. One method was used to characterize the behavior of turbulent diffusion flames of natural gas for a range of flames in function of the flow velocity. Universal non-dimensional models that describe the VFL, lift-off and the blow-out stability limit of gaseous jet diffusion flames in the still air have been compared with new experimental data. The numerical coefficients of the best models are adjusted. Finally, maps of stability related to lift-off and blow-out were obtained for each diameter in function of the dilution with CO2 and flow exit velocity expressed in non-dimensional Reynolds number The third part of this work focuses on the estimation of the thermal distribution of radiative flux from turbulent diffusion flames in laboratory-scale. The experimental measurements were gotten from the previous stability study. In particular, was considered three radial distances measured in flame lengths (0,5 Lf, 1 Lf, 2 Lf) aiming at obtaining the experimental radiant flux along a vertical axis adjacent to the flames. Finally, the experimental data was used as input data in an inverse analysis with the purpose of computing weight coefficients of the weighted multi-point source (WMPS) model. Then, experimental data that include: radiant fractions and radiative heat flux are presents for several flames with different dilutions with carbon dioxide and burner´s diameters.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-12T17:33:48Z No. of bitstreams: 1 PAULO VICTOR DA SILVA OLINDA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 4406932 bytes, checksum: 3015875e87b33898358c6dc22f3c9e3a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-12T17:33:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PAULO VICTOR DA SILVA OLINDA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 4406932 bytes, checksum: 3015875e87b33898358c6dc22f3c9e3a (MD5) Previous issue date: 2018-02-21 / Capes / O objetivo deste trabalho foi realizar um estudo termográfico visando constatar falha de montagem por desalinhamento em acoplamento flexível do tipo garra, modelo GR 50. A metodologia da pesquisa pode ser caracterizada como do tipo aplicada, quantitativa, explicativa, bibliográfica e experimental. Para tanto, montou-se uma bancada experimental contendo um motor trifásico, eixos, rolamentos e o acoplamento flexível, sem a presença de cargas, destinado a solidarizar dois eixos contendo desalinhamentos entre eles de 0,5; 0,74 e 1,18 mm. Como resultado dos testes efetuados, foi possível perceber que a temperatura do acoplamento aumenta à mesma proporção dos desalinhamentos inseridos, ou seja, quanto maior o desalinhamento, maior a temperatura registrada. Este fato é melhor observado nos primeiros 20 minutos dos testes. Diante destes resultados é possível afirmar que a Termografia pode ser utilizada como técnica de detecção de falhas de montagem por desalinhamento nos primeiros minutos de funcionamento do sistema. / The aim of this work is to perform a thermographic study aiming to verify assembly failure by mounting in flexible claw type coupling, model GR 50. A research methodology can be characterized as applied, quantitative, explanatory, bibliographic and experimental type. For this, an experimental bench was built, containing a three-phase motor, shafts, bearings and the flexible coupling, without a load presence, to join two shafts with misalignments between them; 0.5, 0.74 and 1.18 mm. As a result of the tests performed, it was possible to notice that the temperature of the coupling increases the same proportion of the misalignments inserted, that is, the greater the misalignment, the higher the temperature recorded. This fact is best observed in the first 20 minutes of the tests. In view of these results, it is possible to affirm that the thermography can be used as a technique for detecting mounting faults by misalignment in the first minutes of the system operation.

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.

Simulações acopladas do escoamento reativo e dos processos de transferência de calor para o estudo de chamas são problemas dispendiosos computacionalmente. A transferência de calor por radiação em processos de combustão, devido às elevadas temperaturas, é o processo de troca energética dominante. Ainda, o comportamento altamente irregular do coeficiente de absorção com o comprimento de onda se constitui em uma dificuldade adicional na modelagem da transferência radiativa em meios participantes. Para contornar essa dificuldade modelos espectrais foram desenvolvidos com o objetivo de simular o comportamento de um gás real. Dentre esses modelos destacam-se o gás cinza (GG: Gray Gas), o mais simples, que negligencia o comportamento espectral do coeficiente de absorção, e o modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG: Weighted-Sum-of-Gray-Gases) onde a integração sobre todo o espectro é substituída por um número finito de gases cinza. Com o avanço de ferramentas computacionais, principalmente códigos CFD (Computational Fluid Dynamics), abordagens computacionais se tornaram atrativas frente ou em complemento às abordagens experimentais. Desse modo, o presente trabalho tem por objetivo a aplicação dos modelos WSGG e GG com novas correlações na simulação detalhada de chamas difusivas laminares de metano diluído com dióxido de carbono e nitrogênio com o código CFD comercial ANSYS/Fluent. Foram desenvolvidas rotinas de usuário (UDF: User-Defined Functions) para o acoplamento dos modelos espectrais ao código CFD. A verificação das rotinas de usuário foi realizada comparando os resultados obtidos via simulação Fluent com dados obtidos pelo modelo WSGG com um código FORTRAN próprio desenvolvido pelo grupo de pesquisa do Laboratório de Radiação Térmica (LRT/UFRGS) para o problema unidimensional de superfícies negras e infinitas preenchidas por um meio não-isotérmico e não-homogêneo. Os erros encontrados para o fluxo de calor radiativo nas superfícies e para o termo fonte radiativo ao longo do meio foram da ordem de 1% indicando o funcionamento correto das rotinas UDF acopladas ao Fluent. Por fim, as rotinas foram aplicadas na simulação numérica para chamas de potência constante com diluição dos reagentes e os dados obtidos com a solução numérica foram comparados com dados experimentais para a fração radiante e fluxo de calor radiativo. Os desvios médios encontrados para o fluxo de calor radiativo ficaram em torno de 10% para todas as chamas, excetuando as chamas com diluição de CO2 de 30%, 40% e 50%, em volume, para as quais os desvios médios ficaram em torno de 15%. O termo fonte para as chamas apontou para a predominância da emissão do meio em relação à absorção. Todas as chamas estudadas se encontram no regime opticamente fino (optically thin) para o qual, segundo apontam estudos da literatura, a escolha do modelo espectral possui impacto pequeno em resultados globais da chama como a temperatura e a concentração das espécies na mistura. Nesse aspecto os resultados encontrados concordaram com a previsão da literatura, entretanto para a transferência radiativa, o modelo GG se mostrou sensivelmente menos preciso em comparação ao modelo WSGG, principalmente para a fração radiante e para o fluxo radiativo na região da pluma aquecida, indicando a dependência do modelo espectral adotado. / Coupled simulations of the reactive flow with the heat transfer processes for flame studying are computationally demanding problems. The radiative transfer in combustion processes is the main heat transfer mechanism due to the high temperatures involved. However, the highly irregular behavior o f the absorption coefficient with the wavenumber composes in an additional difficulty on modeling the radiative transfer in participating media. In order to overcome this issue, spectral models were developed with the objective of simulate the behavior of real gases. Some of the most known models are the gray gas (GG) for which the spectral behavior of the radiative properties of the medium is neglected and the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) for which the integration over the entire spectrum is replaced by a summation over a finite number of gray gases with constant absorption coefficients. With the development of computational tools, mainly Computational Fluid Dynamics (CFD) codes, numerical approaches became attractive instead or in complement of experimental set ups. In this way, the present work aims to couple the WSGG and the GG models with new correlations in a detailed simulation of diffusive laminar flames of methane diluted with carbon dioxide and nitrogen with the commercial CFD code ANSYS/Fluent. User-defined functions (UDF) were developed to the coupling of the spectral models. The verification was carried out through the WSGG model by comparing the Fluent solution with a solution obtained with a FORTRAN code developed by the Thermal Radiation Laboratory (LRT/UFRGS) research group for the one-dimensional system of black surfaces filled with a non-homogeneous and non-isothermal medium. The deviations for the radiative heat flux for the walls and the radiative heat source along the domain were of 1% or less, indicating the correct coupling between the UDF routines and the CFD code. Finally, the UDF were applied in the solution of constant power flames with fuel diluted with carbon dioxide and nitrogen. The obtained data was then compared with experimental measurements for the radiant fraction and the radiative heat flux along the flame axis. The average deviations found were in order of 10% for all flames, except for the flames with 30%, 40% and 50% of CO2 dilution, in volume, for which the deviatioms found were in order of 15%. The radiative heat source was plotted and indicated for the medium emission predominance in comparison with the medium absorption. All flames studied were optically thin flames for which, studies pointed, the spectral model have minor impact over global results as flame temperature and mixture concentration. For this aspect the results found showed agreement with the literature studies predictions, however the GG model showed itself less accurate in comparison with the WSGG model for the radiant fraction and the radiative heat flux computations. So the spectral models have influence on the radiative transfer even if its effect on flame structure can be negligible.

Modelos algébricos para prever o comprimento de uma chama turbulenta têm sido foco de estudo de diversos grupos de pesquisa por suas aplicações na área de engenharia. O método experimental para obter o modelo varia desde visualizações simples, até técnicas fotográficas, este último com parâmetros fotográficos variando entre os autores. Técnicas fotográficas são usadas para estimar a altura de levantamento da base da chama, (Lift-Off) e o comprimento médio visível de chama (Visible Flame Length, VFL). Duas técnicas comuns que podem ser encontradas na literatura: por imagens de chama com baixo tempo de exposição e longo tempo de exposição, são comparados com um terceiro que se baseia na intensidade luminosa e na frequência de imagens de chama que ocupam um pixel. O melhor método foi utilizado para caracterizar o comportamento das chamas turbulentas de gás natural para diferentes regimes de velocidade do escoamento. Modelos algébricos que preveem o comprimento de chama, altura de levantamento e a velocidade crítica de extinção de chama são avaliados com os novos resultados experimentais. Logo após, os coeficientes numéricos dos melhores modelos algébricos são reajustados Finalmente, foram obtidos mapas de estabilidade relacionados à altura de levantamento e à velocidade crítica de extinção de chama para cada diâmetro em função da diluição com CO2 e do número adimensional de Reynolds. A terceira parte deste trabalho está focada no estudo da distribuição de radiação térmica. Em particular, foram consideradas três distâncias radiais medidas em comprimentos de chama (0,5 Lf, 1 Lf, 2 Lf) visando obter a distribuição do fluxo radiante experimental ao longo de um eixo vertical adjacente às chamas. Finalmente, os dados experimentais foram utilizados como dados de entrada em uma análise inversa com o objetivo de calcular os fatores de ponderação do modelo das múltiplas fontes ponderadas (por suas siglas em inglês WMPS). Nesta última parte, são apresentados frações radiantes e distribuições de fluxo de calor radiante de chamas de gás natural diluídas para diversas diluições com dióxido de carbono e diâmetros do queimador. / Predicting models for turbulent diffusion flame lengths have several applications driven the attention of many research groups. Since several studies use photographs to measure the flame length, with photographic parameters varying among authors, in other cases simple visualizations were used. It is important to explore possible discrepancies among measurement technics that could affect the results. Optical visualizations of turbulent diffusion flames are used to estimate the visible average flame length (VFL) and the lift-off. The study presents a study of three different methods to measure the VFL using optical techniques. The effect on the image of the main optic parameters such as focus, exposure time and ISO sensibility are analyzed. The VFL obtained with images in low exposure time and long exposure time are compared with a third optical method that is based on the luminous intensity and the frequency of flame images occupying a pixel. One method was used to characterize the behavior of turbulent diffusion flames of natural gas for a range of flames in function of the flow velocity. Universal non-dimensional models that describe the VFL, lift-off and the blow-out stability limit of gaseous jet diffusion flames in the still air have been compared with new experimental data. The numerical coefficients of the best models are adjusted. Finally, maps of stability related to lift-off and blow-out were obtained for each diameter in function of the dilution with CO2 and flow exit velocity expressed in non-dimensional Reynolds number The third part of this work focuses on the estimation of the thermal distribution of radiative flux from turbulent diffusion flames in laboratory-scale. The experimental measurements were gotten from the previous stability study. In particular, was considered three radial distances measured in flame lengths (0,5 Lf, 1 Lf, 2 Lf) aiming at obtaining the experimental radiant flux along a vertical axis adjacent to the flames. Finally, the experimental data was used as input data in an inverse analysis with the purpose of computing weight coefficients of the weighted multi-point source (WMPS) model. Then, experimental data that include: radiant fractions and radiative heat flux are presents for several flames with different dilutions with carbon dioxide and burner´s diameters.