A radiação térmica é o principal mecanismo de transferência de calor em fenômenos que envolvem meios participantes em temperaturas elevadas, tais como em processos de combustão. A dependência fortemente irregular do coeficiente de absorção em relação ao número de onda torna desafiador o estudo de situações em que a radiação é apenas parte de um problema mais complexo. A exatidão do cálculo da radiação fica condicionada à solução da equação da transferência radiativa (RTE) por meio da integração linha-por-linha (LBL), sendo, muitas vezes, impraticável, em virtude do esforço computacional requerido para contabilizar as centenas de milhares ou milhões de linhas espectrais do coeficiente de absorção. Alternativamente, modelos espectrais, como a soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG), têm sido empregados de maneira eficaz na obtenção de resultados em substituição à integração LBL. Nessa dissertação, o modelo WSGG é aplicado na solução da transferência de calor radiativa em um sistema unidimensional, formado por duas placas planas paralelas infinitas e preenchido por uma mistura homogênea de dióxido de carbono e vapor de água, considerando-se perfis distintos de temperatura. Diferentemente da maioria dos estudos da literatura que empregam a mesma geometria, mas com paredes negras, o presente trabalho supõe superfícies cinzas e não cinzas. O objetivo central é, portanto, avaliar o erro em se assumir fronteiras negras quando estas não apresentam esse comportamento. Os resultados para o modelo WSGG aplicado a superfícies não cinzas, cinzas e negras são comparados com a solução linha-por-linha para paredes não cinzas. As análises dos desvios entre as soluções pelo modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza e pela integração LBL mostram que a suposição de paredes negras, para casos em que as superfícies deveriam ser consideradas não cinzas, pode levar a erros de até 50% nos resultados para o fluxo de calor e para o termo fonte radiativo. / Thermal radiation is the main heat transfer mechanism in phenomena that involves high temperatures, such as in combustion processes. The strongly irregular dependence of the absorption coefficient on the wavenumber makes challenger the study of situations in which the radiation is only part of a more complex problem. The accuracy of the calculation of the radiation is conditioned to the solution of the radiative transfer equation (RTE) by line-by-line (LBL) integration, being frequently impracticable, due to the computational effort required to account for the hundreds of thousands or millions spectral lines of the absorption coefficient. Alternatively, spectral models, such as the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model, have been used with success to obtain results in comparison to LBL integration. In this study, the WSGG model is applied to solve the radiative heat transfer in a one-dimensional system, formed by two infinite flat parallel plates and filled by a homogeneous mixture of carbon dioxide and water vapor, for different temperature profiles. Unlike most studies of the literature that employ the same geometry, but with black walls, the present work supposes gray and non-gray surfaces. The central objective is, therefore, to evaluate the error in assuming black boundaries when they do not present this behavior. The results for the WSGG model applied to non-gray, gray and black surfaces are compared with the line-by-line solution for non-gray walls. Analyzes of the deviations between the solutions by the weighted-sum-of-gray-gases model and the LBL integration show that the assumption of black walls, for cases where the surfaces should be considered as non-gray, may lead to errors of up to 50% in results for the heat flux and the radiative source term.

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

A radiação térmica é o principal mecanismo de transferência de calor em fenômenos que envolvem meios participantes em temperaturas elevadas, tais como em processos de combustão. A dependência fortemente irregular do coeficiente de absorção em relação ao número de onda torna desafiador o estudo de situações em que a radiação é apenas parte de um problema mais complexo. A exatidão do cálculo da radiação fica condicionada à solução da equação da transferência radiativa (RTE) por meio da integração linha-por-linha (LBL), sendo, muitas vezes, impraticável, em virtude do esforço computacional requerido para contabilizar as centenas de milhares ou milhões de linhas espectrais do coeficiente de absorção. Alternativamente, modelos espectrais, como a soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG), têm sido empregados de maneira eficaz na obtenção de resultados em substituição à integração LBL. Nessa dissertação, o modelo WSGG é aplicado na solução da transferência de calor radiativa em um sistema unidimensional, formado por duas placas planas paralelas infinitas e preenchido por uma mistura homogênea de dióxido de carbono e vapor de água, considerando-se perfis distintos de temperatura. Diferentemente da maioria dos estudos da literatura que empregam a mesma geometria, mas com paredes negras, o presente trabalho supõe superfícies cinzas e não cinzas. O objetivo central é, portanto, avaliar o erro em se assumir fronteiras negras quando estas não apresentam esse comportamento. Os resultados para o modelo WSGG aplicado a superfícies não cinzas, cinzas e negras são comparados com a solução linha-por-linha para paredes não cinzas. As análises dos desvios entre as soluções pelo modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza e pela integração LBL mostram que a suposição de paredes negras, para casos em que as superfícies deveriam ser consideradas não cinzas, pode levar a erros de até 50% nos resultados para o fluxo de calor e para o termo fonte radiativo. / Thermal radiation is the main heat transfer mechanism in phenomena that involves high temperatures, such as in combustion processes. The strongly irregular dependence of the absorption coefficient on the wavenumber makes challenger the study of situations in which the radiation is only part of a more complex problem. The accuracy of the calculation of the radiation is conditioned to the solution of the radiative transfer equation (RTE) by line-by-line (LBL) integration, being frequently impracticable, due to the computational effort required to account for the hundreds of thousands or millions spectral lines of the absorption coefficient. Alternatively, spectral models, such as the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model, have been used with success to obtain results in comparison to LBL integration. In this study, the WSGG model is applied to solve the radiative heat transfer in a one-dimensional system, formed by two infinite flat parallel plates and filled by a homogeneous mixture of carbon dioxide and water vapor, for different temperature profiles. Unlike most studies of the literature that employ the same geometry, but with black walls, the present work supposes gray and non-gray surfaces. The central objective is, therefore, to evaluate the error in assuming black boundaries when they do not present this behavior. The results for the WSGG model applied to non-gray, gray and black surfaces are compared with the line-by-line solution for non-gray walls. Analyzes of the deviations between the solutions by the weighted-sum-of-gray-gases model and the LBL integration show that the assumption of black walls, for cases where the surfaces should be considered as non-gray, may lead to errors of up to 50% in results for the heat flux and the radiative source term.

A radiação térmica é o principal mecanismo de transferência de calor em fenômenos que envolvem meios participantes em temperaturas elevadas, tais como em processos de combustão. A dependência fortemente irregular do coeficiente de absorção em relação ao número de onda torna desafiador o estudo de situações em que a radiação é apenas parte de um problema mais complexo. A exatidão do cálculo da radiação fica condicionada à solução da equação da transferência radiativa (RTE) por meio da integração linha-por-linha (LBL), sendo, muitas vezes, impraticável, em virtude do esforço computacional requerido para contabilizar as centenas de milhares ou milhões de linhas espectrais do coeficiente de absorção. Alternativamente, modelos espectrais, como a soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG), têm sido empregados de maneira eficaz na obtenção de resultados em substituição à integração LBL. Nessa dissertação, o modelo WSGG é aplicado na solução da transferência de calor radiativa em um sistema unidimensional, formado por duas placas planas paralelas infinitas e preenchido por uma mistura homogênea de dióxido de carbono e vapor de água, considerando-se perfis distintos de temperatura. Diferentemente da maioria dos estudos da literatura que empregam a mesma geometria, mas com paredes negras, o presente trabalho supõe superfícies cinzas e não cinzas. O objetivo central é, portanto, avaliar o erro em se assumir fronteiras negras quando estas não apresentam esse comportamento. Os resultados para o modelo WSGG aplicado a superfícies não cinzas, cinzas e negras são comparados com a solução linha-por-linha para paredes não cinzas. As análises dos desvios entre as soluções pelo modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza e pela integração LBL mostram que a suposição de paredes negras, para casos em que as superfícies deveriam ser consideradas não cinzas, pode levar a erros de até 50% nos resultados para o fluxo de calor e para o termo fonte radiativo. / Thermal radiation is the main heat transfer mechanism in phenomena that involves high temperatures, such as in combustion processes. The strongly irregular dependence of the absorption coefficient on the wavenumber makes challenger the study of situations in which the radiation is only part of a more complex problem. The accuracy of the calculation of the radiation is conditioned to the solution of the radiative transfer equation (RTE) by line-by-line (LBL) integration, being frequently impracticable, due to the computational effort required to account for the hundreds of thousands or millions spectral lines of the absorption coefficient. Alternatively, spectral models, such as the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model, have been used with success to obtain results in comparison to LBL integration. In this study, the WSGG model is applied to solve the radiative heat transfer in a one-dimensional system, formed by two infinite flat parallel plates and filled by a homogeneous mixture of carbon dioxide and water vapor, for different temperature profiles. Unlike most studies of the literature that employ the same geometry, but with black walls, the present work supposes gray and non-gray surfaces. The central objective is, therefore, to evaluate the error in assuming black boundaries when they do not present this behavior. The results for the WSGG model applied to non-gray, gray and black surfaces are compared with the line-by-line solution for non-gray walls. Analyzes of the deviations between the solutions by the weighted-sum-of-gray-gases model and the LBL integration show that the assumption of black walls, for cases where the surfaces should be considered as non-gray, may lead to errors of up to 50% in results for the heat flux and the radiative source term.

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

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

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.

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.

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.