- / -

O presente trabalho apresenta um estudo numérico sobre escoamentos turbulentos combinando os mecanismos de transferência de calor por convecção e radiação térmica em meios participantes. Os principais propósitos são obter um melhor entendimento a respeito da relevância das interações Turbulência-Radiação (TRI) em escoamentos turbulentos não reativos, bem como, investigar o efeito da radiação térmica sobre o comportamento transiente, médio e estatístico dos campos térmicos. Para investigar a relevância das interações TRI em escoamentos turbulentos internos, realiza-se uma comparação entre os fluxos temporais médios por convecção e radiação térmica obtidos através da simulação de grandes escalas (LES) e da modelagem clássica da turbulência (RANS) para escoamentos no regime permanente com as seguintes espessuras ópticas: τ0 = 0.01, 0.10, 1.0, 10.0 e 100.0, que representam desde meios opticamente muito finos até meios muito espessos. Para todos os casos, o número de Reynolds baseado na velocidade de fricção e o número de Prandtl são mantidos fixos: Reτ = 180 e Pr = 0.71. A abordagem da turbulência é realizada a partir dos modelos submalha dinâmico de Smagorinsky (DSSGS) e k – ε padrão no âmbito de LES e RANS, enquanto nenhum modelo de turbulência é utilizado para a equação da transferência radiante (RTE). Com o intuito de contornar as dificuldades relacionadas com a dependência espectral da radiação térmica, todos os meios participantes são tratados como gás cinza. Para a solução numérica das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia emprega-se um código comercial (FLUENT®) baseado no método de volumes finitos (FVM). A equação da transferência radiante é resolvida pelo método de ordenadas discretas (DOM). A relevância das interações TRI também é investigada em um escoamento não reativo em cavidade cilíndrica com ReD = 22000, Pr = 0.71 e τ0 = 0.10. Além destes casos, é simulado um escoamento transiente em cavidade retangular com ReH = 10000, Pr = 0.71 e τ0 = 10 para avaliar o efeito da radiação térmica sobre o campo térmico transiente. Os resultados mostram que as interações TRI podem ser desprezadas para escoamentos não reativos para meios com espessura óptica menor ou igual a τ0 = 1.0, concordando com resultados da literatura. No entanto, para meios mais espessos as interações TRI passam a ser relevantes, ao contrário do que tem sido afirmado na literatura. / The present work presents a numerical study about turbulent flows with combined convection and thermal radiation heat transfer in participating media. The main purposes of this study are to obtain a better understanding of the relevance of Turbulence-Radiation Interactions (TRI) for non-reactive turbulent flows, as well as, the investigation of the effect of thermal radiation over the time-averaged and statistics of the thermal field for these flows. To investigate the relevance of TRI for turbulent internal flows, it is performed a comparison between the timeaveraged convective and radiative surface fluxes obtained by means of Large Eddy Simulation (LES) and Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) for steady state flows for the following optical thickness: τ0 = 0.01, 0.10, 1.0, 10.0 and 100.0, which represents from very thin to optical very thick media. For all cases, the Reynolds number based on the velocity friction and the Prandtl number are kept fixed: Reτ = 180 and Pr = 0.71. The turbulence is tackled with the dynamic Smagorinsky subgrid-scale (DSSGS) and the standard k – ε models within the LES and RANS framework, respectively, whilst no turbulence model is used for the radiative transfer equation (RTE). For the minimization of the difficulties concerned with the spectral dependence of thermal radiation, the participating media are treated as grey gas. For the numerical solution of the conservation equations of mass, momentum and energy it is employed a commercial CFD package (FLUENT®) based on the finite volume method (FVM). The radiative transfer equation (RTE) is solved by means of the discrete ordinates method (DOM). The TRI relevance is also investigated for the simulation of a non-reactive flow in a cylindrical cavity for the following dimensionless parameters: ReD = 22000, Pr = 0.71 and τ0 = 0.10. Besides the above mentioned cases, it is simulated a transient turbulent rectangular cavity flow at ReH = 10000, Pr = 0.71 and τ0 = 10 in order to evaluate the effect of thermal radiation over the transient thermal field. The results show that TRI can be neglected for non-reactive channel flows with optical thickness lower or equal than τ0 = 1.0, which is agreement with the previous findings of literature. However, as the optical thickness increases, the TRI becomes relevant, which is in disagreement with previous statements from literature.

Este trabalho analisa numericamente a transferência de calor radiativa em uma chama turbulenta de metano-ar. São resolvidas equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia, espécies químicas gasosas e fuligem, e variância da flutuação de temperatura em coordenadas cilíndricas axissimétricas. O modelo de combustão é o Eddy Break-Up – Arrhenius, com reação de combustão em duas etapas. O modelo de turbulência é o k −e padrão. A modelagem das interações turbulência-radiação (TRI - do inglês: Turbulence-Radiation Interactions) considera a “correlação combinada entre coeficiente de absorção e temperatura” e a “autocorrelação de temperatura”. O termo fonte de calor radiativo é calculado com o método de ordenadas discretas, considerando os modelos de gás cinza (GC) e da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG – do inglês: weighted-sum-of-gray-gases) com correlações clássicas e recentes. O modelo linha-por-linha, considerado benchmark, também é empregado no cálculo daquele termo fonte, porém em cálculos desacoplados entre radiação e dinâmica de fluidos computacional (CFD - do inglês: Computational Fluid Dynamics), com o objetivo de avaliar os modelos WSGG e GC. Primeiramente, estudou-se o efeito da radiação térmica dos gases H2O e CO2 através dos modelos GC e WSGG, em cálculos acoplados radiação-CFD. Os resultados mostraram que os campos de temperatura e do termo fonte de calor radiativo, a transferência de calor para a parede da câmara e a fração radiativa, foram sensíveis aos diferentes modelos, enquanto o efeito sobre as concentrações das espécies foi de menor relevância para o modelo de combustão considerado. Os resultados obtidos com o modelo WSGG mais recente ficaram mais próximos dos dados experimentais da literatura, enquanto que a consideração das interações TRI melhorou esta concordância. As principais contribuições das interações TRI foram sobre a temperatura máxima e a fração radiativa, concordando com resultados da literatura. Os efeitos radiativos da fuligem juntamente com os gases também foram estudados, sendo importantes sobre o termo fonte de calor radiativo somente na região onde a fuligem estava presente (aumento de 30%). O fluxo de calor radiativo sobre a parede radial da câmara aumentou 25% na região de maior concentração de fuligem. A contribuição dos gases para a transferência radiativa foi de 92% e a da fuligem foi de 8%. Ao comparar os resultados dos modelos WSGG e GC com a solução benchmark, considerando o meio composto por gases, o modelo WSGG mais recente foi o que apresentou os melhores resultados (erro máximo 22,49%, médio 4,72%), enquanto ao considerar o meio composto por gases e fuligem, os erros foram menores (máximo 11,07%, médio 2,95%). / This work analyses numerically the thermal radiation heat transfer on a methane-air turbulent non-premixed flame. Conservation equations for mass, momentum, gaseous chemical species and soot, energy, and temperature variance, are solved in axisymmetric coordinates. The combustion model is Eddy Break-Up – Arrhenius, with two steps for the combustion reaction. Turbulence is modeled by standard k −e model. Consideration of TRI (Turbulence-Radiation Interactions) effects is made through a methodology that considers both cross-correlation between absorption coefficient and temperature and temperature self-correlation. The radiative heat source term is calculated with the discrete ordinates method, considering the gray gas model (GG) and the weighted-sum-of-gray-gases model (WSGG) based on classical and recent correlations. The benchmark solution obtained by the line-by-line model is also employed to calculate that source term, but in decoupled radiation-CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations, with the objective of evaluating WSGG and GG models. Firstly, it was studied the effects of thermal radiation from the gases H2O and CO2 employing GG and WSGG models, and then the influence of TRI was also studied, both in coupled radiation- CFD calculations. Results pointed that temperature and radiative heat source fields, as well as wall heat transfer rates and radiative fraction, were significantly affected by thermal radiation, as well as by the different models and by TRI, while the influence on species concentrations was minor, for the combustion model employed. Numerical results obtained considering the recent WSGG model correlations were closer to experimental data from literature, and consideration of TRI into calculations improved that agreement. The main TRI contributions were the decrease on flame peak temperature and the increase on radiative fraction, in agreement with literature data. Radiative effects of the mixture of soot and gases were also studied, showing to be important for the radiative heat source only in the region with presence of soot (increase of 30%). Radiative heat flux on chamber wall increased 25% locally in the region with the highest soot concentration. Contribution of gases and soot for the net radiative transfer was 92% and 8%. Comparing the results obtained with WSGG and GG models with the benchmark solution in decoupled radiation-CFD calculations, considering the media composed by CO2 and H2O, the recent WSGG reached the best results (maximum error of 22.49%, average error of 4.72%), while considering the media composed by gases and soot, errors were reduced (maximum of 11.07% and average of 2.95%).

O presente trabalho apresenta um estudo numérico sobre escoamentos turbulentos combinando os mecanismos de transferência de calor por convecção e radiação térmica em meios participantes. Os principais propósitos são obter um melhor entendimento a respeito da relevância das interações Turbulência-Radiação (TRI) em escoamentos turbulentos não reativos, bem como, investigar o efeito da radiação térmica sobre o comportamento transiente, médio e estatístico dos campos térmicos. Para investigar a relevância das interações TRI em escoamentos turbulentos internos, realiza-se uma comparação entre os fluxos temporais médios por convecção e radiação térmica obtidos através da simulação de grandes escalas (LES) e da modelagem clássica da turbulência (RANS) para escoamentos no regime permanente com as seguintes espessuras ópticas: τ0 = 0.01, 0.10, 1.0, 10.0 e 100.0, que representam desde meios opticamente muito finos até meios muito espessos. Para todos os casos, o número de Reynolds baseado na velocidade de fricção e o número de Prandtl são mantidos fixos: Reτ = 180 e Pr = 0.71. A abordagem da turbulência é realizada a partir dos modelos submalha dinâmico de Smagorinsky (DSSGS) e k – ε padrão no âmbito de LES e RANS, enquanto nenhum modelo de turbulência é utilizado para a equação da transferência radiante (RTE). Com o intuito de contornar as dificuldades relacionadas com a dependência espectral da radiação térmica, todos os meios participantes são tratados como gás cinza. Para a solução numérica das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia emprega-se um código comercial (FLUENT®) baseado no método de volumes finitos (FVM). A equação da transferência radiante é resolvida pelo método de ordenadas discretas (DOM). A relevância das interações TRI também é investigada em um escoamento não reativo em cavidade cilíndrica com ReD = 22000, Pr = 0.71 e τ0 = 0.10. Além destes casos, é simulado um escoamento transiente em cavidade retangular com ReH = 10000, Pr = 0.71 e τ0 = 10 para avaliar o efeito da radiação térmica sobre o campo térmico transiente. Os resultados mostram que as interações TRI podem ser desprezadas para escoamentos não reativos para meios com espessura óptica menor ou igual a τ0 = 1.0, concordando com resultados da literatura. No entanto, para meios mais espessos as interações TRI passam a ser relevantes, ao contrário do que tem sido afirmado na literatura. / The present work presents a numerical study about turbulent flows with combined convection and thermal radiation heat transfer in participating media. The main purposes of this study are to obtain a better understanding of the relevance of Turbulence-Radiation Interactions (TRI) for non-reactive turbulent flows, as well as, the investigation of the effect of thermal radiation over the time-averaged and statistics of the thermal field for these flows. To investigate the relevance of TRI for turbulent internal flows, it is performed a comparison between the timeaveraged convective and radiative surface fluxes obtained by means of Large Eddy Simulation (LES) and Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) for steady state flows for the following optical thickness: τ0 = 0.01, 0.10, 1.0, 10.0 and 100.0, which represents from very thin to optical very thick media. For all cases, the Reynolds number based on the velocity friction and the Prandtl number are kept fixed: Reτ = 180 and Pr = 0.71. The turbulence is tackled with the dynamic Smagorinsky subgrid-scale (DSSGS) and the standard k – ε models within the LES and RANS framework, respectively, whilst no turbulence model is used for the radiative transfer equation (RTE). For the minimization of the difficulties concerned with the spectral dependence of thermal radiation, the participating media are treated as grey gas. For the numerical solution of the conservation equations of mass, momentum and energy it is employed a commercial CFD package (FLUENT®) based on the finite volume method (FVM). The radiative transfer equation (RTE) is solved by means of the discrete ordinates method (DOM). The TRI relevance is also investigated for the simulation of a non-reactive flow in a cylindrical cavity for the following dimensionless parameters: ReD = 22000, Pr = 0.71 and τ0 = 0.10. Besides the above mentioned cases, it is simulated a transient turbulent rectangular cavity flow at ReH = 10000, Pr = 0.71 and τ0 = 10 in order to evaluate the effect of thermal radiation over the transient thermal field. The results show that TRI can be neglected for non-reactive channel flows with optical thickness lower or equal than τ0 = 1.0, which is agreement with the previous findings of literature. However, as the optical thickness increases, the TRI becomes relevant, which is in disagreement with previous statements from literature.

O presente trabalho apresenta um estudo numérico sobre escoamentos turbulentos combinando os mecanismos de transferência de calor por convecção e radiação térmica em meios participantes. Os principais propósitos são obter um melhor entendimento a respeito da relevância das interações Turbulência-Radiação (TRI) em escoamentos turbulentos não reativos, bem como, investigar o efeito da radiação térmica sobre o comportamento transiente, médio e estatístico dos campos térmicos. Para investigar a relevância das interações TRI em escoamentos turbulentos internos, realiza-se uma comparação entre os fluxos temporais médios por convecção e radiação térmica obtidos através da simulação de grandes escalas (LES) e da modelagem clássica da turbulência (RANS) para escoamentos no regime permanente com as seguintes espessuras ópticas: τ0 = 0.01, 0.10, 1.0, 10.0 e 100.0, que representam desde meios opticamente muito finos até meios muito espessos. Para todos os casos, o número de Reynolds baseado na velocidade de fricção e o número de Prandtl são mantidos fixos: Reτ = 180 e Pr = 0.71. A abordagem da turbulência é realizada a partir dos modelos submalha dinâmico de Smagorinsky (DSSGS) e k – ε padrão no âmbito de LES e RANS, enquanto nenhum modelo de turbulência é utilizado para a equação da transferência radiante (RTE). Com o intuito de contornar as dificuldades relacionadas com a dependência espectral da radiação térmica, todos os meios participantes são tratados como gás cinza. Para a solução numérica das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia emprega-se um código comercial (FLUENT®) baseado no método de volumes finitos (FVM). A equação da transferência radiante é resolvida pelo método de ordenadas discretas (DOM). A relevância das interações TRI também é investigada em um escoamento não reativo em cavidade cilíndrica com ReD = 22000, Pr = 0.71 e τ0 = 0.10. Além destes casos, é simulado um escoamento transiente em cavidade retangular com ReH = 10000, Pr = 0.71 e τ0 = 10 para avaliar o efeito da radiação térmica sobre o campo térmico transiente. Os resultados mostram que as interações TRI podem ser desprezadas para escoamentos não reativos para meios com espessura óptica menor ou igual a τ0 = 1.0, concordando com resultados da literatura. No entanto, para meios mais espessos as interações TRI passam a ser relevantes, ao contrário do que tem sido afirmado na literatura. / The present work presents a numerical study about turbulent flows with combined convection and thermal radiation heat transfer in participating media. The main purposes of this study are to obtain a better understanding of the relevance of Turbulence-Radiation Interactions (TRI) for non-reactive turbulent flows, as well as, the investigation of the effect of thermal radiation over the time-averaged and statistics of the thermal field for these flows. To investigate the relevance of TRI for turbulent internal flows, it is performed a comparison between the timeaveraged convective and radiative surface fluxes obtained by means of Large Eddy Simulation (LES) and Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) for steady state flows for the following optical thickness: τ0 = 0.01, 0.10, 1.0, 10.0 and 100.0, which represents from very thin to optical very thick media. For all cases, the Reynolds number based on the velocity friction and the Prandtl number are kept fixed: Reτ = 180 and Pr = 0.71. The turbulence is tackled with the dynamic Smagorinsky subgrid-scale (DSSGS) and the standard k – ε models within the LES and RANS framework, respectively, whilst no turbulence model is used for the radiative transfer equation (RTE). For the minimization of the difficulties concerned with the spectral dependence of thermal radiation, the participating media are treated as grey gas. For the numerical solution of the conservation equations of mass, momentum and energy it is employed a commercial CFD package (FLUENT®) based on the finite volume method (FVM). The radiative transfer equation (RTE) is solved by means of the discrete ordinates method (DOM). The TRI relevance is also investigated for the simulation of a non-reactive flow in a cylindrical cavity for the following dimensionless parameters: ReD = 22000, Pr = 0.71 and τ0 = 0.10. Besides the above mentioned cases, it is simulated a transient turbulent rectangular cavity flow at ReH = 10000, Pr = 0.71 and τ0 = 10 in order to evaluate the effect of thermal radiation over the transient thermal field. The results show that TRI can be neglected for non-reactive channel flows with optical thickness lower or equal than τ0 = 1.0, which is agreement with the previous findings of literature. However, as the optical thickness increases, the TRI becomes relevant, which is in disagreement with previous statements from literature.

Este trabalho analisa numericamente a transferência de calor radiativa em uma chama turbulenta de metano-ar. São resolvidas equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia, espécies químicas gasosas e fuligem, e variância da flutuação de temperatura em coordenadas cilíndricas axissimétricas. O modelo de combustão é o Eddy Break-Up – Arrhenius, com reação de combustão em duas etapas. O modelo de turbulência é o k −e padrão. A modelagem das interações turbulência-radiação (TRI - do inglês: Turbulence-Radiation Interactions) considera a “correlação combinada entre coeficiente de absorção e temperatura” e a “autocorrelação de temperatura”. O termo fonte de calor radiativo é calculado com o método de ordenadas discretas, considerando os modelos de gás cinza (GC) e da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG – do inglês: weighted-sum-of-gray-gases) com correlações clássicas e recentes. O modelo linha-por-linha, considerado benchmark, também é empregado no cálculo daquele termo fonte, porém em cálculos desacoplados entre radiação e dinâmica de fluidos computacional (CFD - do inglês: Computational Fluid Dynamics), com o objetivo de avaliar os modelos WSGG e GC. Primeiramente, estudou-se o efeito da radiação térmica dos gases H2O e CO2 através dos modelos GC e WSGG, em cálculos acoplados radiação-CFD. Os resultados mostraram que os campos de temperatura e do termo fonte de calor radiativo, a transferência de calor para a parede da câmara e a fração radiativa, foram sensíveis aos diferentes modelos, enquanto o efeito sobre as concentrações das espécies foi de menor relevância para o modelo de combustão considerado. Os resultados obtidos com o modelo WSGG mais recente ficaram mais próximos dos dados experimentais da literatura, enquanto que a consideração das interações TRI melhorou esta concordância. As principais contribuições das interações TRI foram sobre a temperatura máxima e a fração radiativa, concordando com resultados da literatura. Os efeitos radiativos da fuligem juntamente com os gases também foram estudados, sendo importantes sobre o termo fonte de calor radiativo somente na região onde a fuligem estava presente (aumento de 30%). O fluxo de calor radiativo sobre a parede radial da câmara aumentou 25% na região de maior concentração de fuligem. A contribuição dos gases para a transferência radiativa foi de 92% e a da fuligem foi de 8%. Ao comparar os resultados dos modelos WSGG e GC com a solução benchmark, considerando o meio composto por gases, o modelo WSGG mais recente foi o que apresentou os melhores resultados (erro máximo 22,49%, médio 4,72%), enquanto ao considerar o meio composto por gases e fuligem, os erros foram menores (máximo 11,07%, médio 2,95%). / This work analyses numerically the thermal radiation heat transfer on a methane-air turbulent non-premixed flame. Conservation equations for mass, momentum, gaseous chemical species and soot, energy, and temperature variance, are solved in axisymmetric coordinates. The combustion model is Eddy Break-Up – Arrhenius, with two steps for the combustion reaction. Turbulence is modeled by standard k −e model. Consideration of TRI (Turbulence-Radiation Interactions) effects is made through a methodology that considers both cross-correlation between absorption coefficient and temperature and temperature self-correlation. The radiative heat source term is calculated with the discrete ordinates method, considering the gray gas model (GG) and the weighted-sum-of-gray-gases model (WSGG) based on classical and recent correlations. The benchmark solution obtained by the line-by-line model is also employed to calculate that source term, but in decoupled radiation-CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations, with the objective of evaluating WSGG and GG models. Firstly, it was studied the effects of thermal radiation from the gases H2O and CO2 employing GG and WSGG models, and then the influence of TRI was also studied, both in coupled radiation- CFD calculations. Results pointed that temperature and radiative heat source fields, as well as wall heat transfer rates and radiative fraction, were significantly affected by thermal radiation, as well as by the different models and by TRI, while the influence on species concentrations was minor, for the combustion model employed. Numerical results obtained considering the recent WSGG model correlations were closer to experimental data from literature, and consideration of TRI into calculations improved that agreement. The main TRI contributions were the decrease on flame peak temperature and the increase on radiative fraction, in agreement with literature data. Radiative effects of the mixture of soot and gases were also studied, showing to be important for the radiative heat source only in the region with presence of soot (increase of 30%). Radiative heat flux on chamber wall increased 25% locally in the region with the highest soot concentration. Contribution of gases and soot for the net radiative transfer was 92% and 8%. Comparing the results obtained with WSGG and GG models with the benchmark solution in decoupled radiation-CFD calculations, considering the media composed by CO2 and H2O, the recent WSGG reached the best results (maximum error of 22.49%, average error of 4.72%), while considering the media composed by gases and soot, errors were reduced (maximum of 11.07% and average of 2.95%).

Este trabalho analisa numericamente a transferência de calor radiativa em uma chama turbulenta de metano-ar. São resolvidas equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia, espécies químicas gasosas e fuligem, e variância da flutuação de temperatura em coordenadas cilíndricas axissimétricas. O modelo de combustão é o Eddy Break-Up – Arrhenius, com reação de combustão em duas etapas. O modelo de turbulência é o k −e padrão. A modelagem das interações turbulência-radiação (TRI - do inglês: Turbulence-Radiation Interactions) considera a “correlação combinada entre coeficiente de absorção e temperatura” e a “autocorrelação de temperatura”. O termo fonte de calor radiativo é calculado com o método de ordenadas discretas, considerando os modelos de gás cinza (GC) e da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG – do inglês: weighted-sum-of-gray-gases) com correlações clássicas e recentes. O modelo linha-por-linha, considerado benchmark, também é empregado no cálculo daquele termo fonte, porém em cálculos desacoplados entre radiação e dinâmica de fluidos computacional (CFD - do inglês: Computational Fluid Dynamics), com o objetivo de avaliar os modelos WSGG e GC. Primeiramente, estudou-se o efeito da radiação térmica dos gases H2O e CO2 através dos modelos GC e WSGG, em cálculos acoplados radiação-CFD. Os resultados mostraram que os campos de temperatura e do termo fonte de calor radiativo, a transferência de calor para a parede da câmara e a fração radiativa, foram sensíveis aos diferentes modelos, enquanto o efeito sobre as concentrações das espécies foi de menor relevância para o modelo de combustão considerado. Os resultados obtidos com o modelo WSGG mais recente ficaram mais próximos dos dados experimentais da literatura, enquanto que a consideração das interações TRI melhorou esta concordância. As principais contribuições das interações TRI foram sobre a temperatura máxima e a fração radiativa, concordando com resultados da literatura. Os efeitos radiativos da fuligem juntamente com os gases também foram estudados, sendo importantes sobre o termo fonte de calor radiativo somente na região onde a fuligem estava presente (aumento de 30%). O fluxo de calor radiativo sobre a parede radial da câmara aumentou 25% na região de maior concentração de fuligem. A contribuição dos gases para a transferência radiativa foi de 92% e a da fuligem foi de 8%. Ao comparar os resultados dos modelos WSGG e GC com a solução benchmark, considerando o meio composto por gases, o modelo WSGG mais recente foi o que apresentou os melhores resultados (erro máximo 22,49%, médio 4,72%), enquanto ao considerar o meio composto por gases e fuligem, os erros foram menores (máximo 11,07%, médio 2,95%). / This work analyses numerically the thermal radiation heat transfer on a methane-air turbulent non-premixed flame. Conservation equations for mass, momentum, gaseous chemical species and soot, energy, and temperature variance, are solved in axisymmetric coordinates. The combustion model is Eddy Break-Up – Arrhenius, with two steps for the combustion reaction. Turbulence is modeled by standard k −e model. Consideration of TRI (Turbulence-Radiation Interactions) effects is made through a methodology that considers both cross-correlation between absorption coefficient and temperature and temperature self-correlation. The radiative heat source term is calculated with the discrete ordinates method, considering the gray gas model (GG) and the weighted-sum-of-gray-gases model (WSGG) based on classical and recent correlations. The benchmark solution obtained by the line-by-line model is also employed to calculate that source term, but in decoupled radiation-CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations, with the objective of evaluating WSGG and GG models. Firstly, it was studied the effects of thermal radiation from the gases H2O and CO2 employing GG and WSGG models, and then the influence of TRI was also studied, both in coupled radiation- CFD calculations. Results pointed that temperature and radiative heat source fields, as well as wall heat transfer rates and radiative fraction, were significantly affected by thermal radiation, as well as by the different models and by TRI, while the influence on species concentrations was minor, for the combustion model employed. Numerical results obtained considering the recent WSGG model correlations were closer to experimental data from literature, and consideration of TRI into calculations improved that agreement. The main TRI contributions were the decrease on flame peak temperature and the increase on radiative fraction, in agreement with literature data. Radiative effects of the mixture of soot and gases were also studied, showing to be important for the radiative heat source only in the region with presence of soot (increase of 30%). Radiative heat flux on chamber wall increased 25% locally in the region with the highest soot concentration. Contribution of gases and soot for the net radiative transfer was 92% and 8%. Comparing the results obtained with WSGG and GG models with the benchmark solution in decoupled radiation-CFD calculations, considering the media composed by CO2 and H2O, the recent WSGG reached the best results (maximum error of 22.49%, average error of 4.72%), while considering the media composed by gases and soot, errors were reduced (maximum of 11.07% and average of 2.95%).

La simulation de scenarios d’incendie nécessite de modéliser de nombreux processus complexe, particulièrement la combustion gazeuse d’hydrocarbure incluant la production de suie et les transferts radiatifs dans un écoulement turbulent. La nature turbulente de l’écoulement fait apparaitre des interactions qui doivent être prises en compte entre ces processus. L’objectif de cette thèse est d’implémenter une méthode de transport de la fonction de densité de probabilité afin de modéliser ces interactions de manière précise. En conjonction avec un modèle de flammelettes, le modèle de Lindstedt et un modèle à large-bande k-corrélé, l’équation de transport de la PDF jointe de composition est résolue avec la méthode des Champs Eulérien Stochastiques. Le modèle est validé en simulant 12 flammes turbulentes recouvrant une large gamme de nombre de Reynolds et de propension à former de la suie par les combustibles. Dans un second temps, les effets des interactions rayonnement-turbulence (TRI) sur l’émission de la suie sont étudiés en détails, montrant que la TRI tend à augmenter l’émission radiative de la suie à cause des fluctuations de température, mais que cette augmentation est plus faible pour des nombres de Reynolds élevés ou des quantités de suie plus élevées. Ceci est dû à la corrélation négative entre le coefficient d’absorption des suies et la fonction de Planck. Finalement, l’influence de la corrélation entre la fraction de mélange et le paramètre de non-adiabaticité est étudiée sur une flamme d’éthylène, montrant qu’elle a peu d’effet sur la structure moyenne de flamme mais tend à limiter les fluctuations de température et les pertes radiatives. / The simulation of fire scenarios requires the numerical modeling of various complex process, particularly the gaseous combustion of hydrocarbons including soot production and radiative transfers in a turbulent. The turbulent nature of the flow induces interactions between these processes that need to be taken accurately into account. The purpose of this thesis is to implement a transported Probability Density function method to model these interactions precisely. In conjunction with the flamelet model, the Lindstedt model, and a wide-band correlated-k model, the composition joint-PDF transport equation is solved using the Stochastic Eulerian Fields method. The model is validated by simulating 12 turbulent jet flames covering a large range of Reynolds numbers and fuel sooting propensity. Model prediction are found to be in reasonable agreement with experimental data. Second, the effects of turbulence-radiation interactions (TRI) on soot emission are studied in details, showing that TRI tends to increase soot radiative emission due to temperature fluctuations, but that this increase is smaller for higher Reynolds numbers and higher soot loads. This is due to the negative correlation between soot absorption coefficient and the Planck function. Finally, the effects of taking into account the correlation between mixture fraction and enthalpy defect on flame structure and radiative characteristics are also studied on an ethylene flame, showing that it has weak effect on the mean flame structure but tends to inhibit both temperature fluctuations and radiative loss.

We investigate several aspects of the numerical solution of the radiative transfer equation in the context of coal combustion: the parallel efficiency of two commonly used opacity models, the sensitivity of turbulent radiation interaction (TRI) effects to the presence of coal particulate, and an improvement of the order of temporal convergence using the coarse mesh finite difference (CMFD) method. There are four opacity models commonly employed to evaluate the radiative transfer equation in combustion applications; line-by-line (LBL), multigroup, band, and global. Most of these models have been rigorously evaluated for serial computations of a spectrum of problem types [1]. Studies of these models for parallel computations [2] are limited. We assessed the performance of the Spectral-Line- Based weighted sum of gray gasses (SLW) model, a global method related to K-distribution methods [1], and the LBL model. The LBL model directly interpolates opacity information from large data tables. The LBL model outperforms the SLW model in almost all cases, as suggested by Wang et al. [3]. The SLW model, however, shows superior parallel scaling performance and a decreased sensitivity to load imbalancing, suggesting that for some problems, global methods such as the SLW model, could outperform the LBL model. Turbulent radiation interaction (TRI) effects are associated with the differences in the time scales of the fluid dynamic equations and the radiative transfer equations. Solving on the fluid dynamic time step size produces large changes in the radiation field over the time step. We have modifed the statistically homogeneous, non-premixed flame problem of Deshmukh et al. [4] to include coal-type particulate. The addition of low mass loadings of particulate minimally impacts the TRI effects. Observed differences in the TRI effects from variations in the packing fractions and Stokes numbers are difficult to analyze because of the significant effect of variations in problem initialization. The TRI effects are very sensitive to the initialization of the turbulence in the system. The TRI parameters are somewhat sensitive to the treatment of particulate temperature and the particulate optical thickness, and this effect are amplified by increased particulate loading. Monte Carlo radiative heat transfer simulations of time-dependent combustion processes generally involve an explicit evaluation of emission source because of the expense of the transport solver. Recently, Park et al. [5] have applied quasidiffusion with Monte Carlo in high energy density radiative transfer applications. We employ a Crank-Nicholson temporal integration scheme in conjunction with the coarse mesh finite difference (CMFD) method, in an effort to improve the temporal accuracy of the Monte Carlo solver. Our results show that this CMFD-CN method is an improvement over Monte Carlo with CMFD time-differenced via Backward Euler, and Implicit Monte Carlo [6] (IMC). The increase in accuracy involves very little increase in computational cost, and the figure of merit for the CMFD-CN scheme is greater than IMC. / Graduation date: 2012