Orientador: Waldir Antônio Bizzo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T17:06:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fernandes_Renato_M.pdf: 7631607 bytes, checksum: 14334de2da1bd698c87a4fd0efbed3f4 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os queimadores a jato são caracterizados pela elevada quantidade de movimento na direção axial e elevada potência, estes queimadores são muito empregados em fornos rotativos, principalmente na indústria do cimento e da calcinação. O projeto de queimadores a jato é realizado usualmente aproximando o escoamento de ar primário no queimador por um modelo de escoamento compressível isentrópico em um bocal, esta aproximação leva a elevada divergência entre o projeto e a performance do equipamento em operação. Nesta tese foram desenvolvidos e empregados modelos de escoamento compressível com atrito, troca de calor e variação de área de seção para o escoamento do ar primário no interior do queimador, esta modelagem permite integrar todo o projeto do queimador desde a especificação de motores, sopradores, simulação da rede de tubos que compõe queimador, incluindo o manifold, válvulas de controle, placas de orifício, mangotes etc, inclusive relacionando o escoamento do ar primário com o jato formado pelo queimador através do emprego e também do desenvolvimento de índices aerodinâmicos que representem o jato. Os pontos de inovação incluem além da modelagem proposta também o desenvolvimento de modelo para escoamento em swirlers, aplicação da lei de Crocco em escoamentos com mudança súbita de área de seção, aplicação de modelos de entrainment etc. A modelagem matemática proposta foi empregada no desenvolvimento de um sistema computacional na qual foi usado para simular diversos queimadores em escala industrial, e as simulações obtidas foram comparadas com as medições de campo realizadas nos queimadores. Os resultados das simulações foram muito representativos com divergências de no máximo 5,0 % entre as propriedades do escoamento simuladas com as propriedades mensuradas, por exemplo, pressão, temperatura, vazão etc / Abstract: Jet burners are characterized by their high power and their high momentum in the axis direction. For that reason, these burners are widely used in rotary kilns, especially in the cement and calcination industry. The project of jet burners is based on the approximation of the primary air flow in the burner, through the development of an isentropic compressible flow model for one nozzle. This approximation leads to high differences between the project and the actual performance of the equipment. For the purposes of this thesis, models of compressible flow with friction, heat exchange and variable cross section area for primary air flow inside the burner were developed and applied. The application of these models makes possible the integration of the whole burner project, i.e. specification of motors, blowers, and the simulation of the burner's tubing system, which comprises manifold, control valves, orifices flow meters, hoses, etc. These models also provides means to relate the primary air flow to the jet formed by the burner, through the application and development of aerodynamic indexes that represent the jet. Besides proposed modeling techniques, innovations in this thesis include the development of a model for representing flow in swirlers, an application of the Crocco law for flow through sudden changing cross sections, application of entrainment models, etc. Mathematical modeling was applied in the development of a computational system, which was used to simulate diverse industrial burners. Resulting simulations were compared with measures taken from actual burners. Results obtained were highly representative, showing a variance of 5.0% at the most between simulated flow properties and measured properties, i.e. pressure, temperature, flow rate, etc / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Miton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-03T12:23:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kasper_FabioRobertoSulzbacher_M.pdf: 4085192 bytes, checksum: 2cf3144aebecff7376c131b0335500eb (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: A performance dos motores à combustão interna e suas emissões são governadas por processos fluido dinâmicos não-estacionários. Um bom entendimento destes processos é fundamental para melhorar as características de um motor, e as técnicas da Fluidodinâmica Computacional (CFD) são capazes de reproduzir informações detalhadas a respeito deste escoamento. Entretanto, simulações numéricas de motores ocorrem raramente, e um dos principais empecilhos destas simulações é justamente a dificuldade de abordar este problema, pois se esbarra com a complexidade geométrica do movimento do pistão e das válvulas, além das diversas interações fenomenológicas nos termofluidos presentes no cilindro. O objeto de estudo deste trabalho é a câmara de combustão de um motor FIAT Palio 1.0, com duas válvulas por cilindro e quatro estágios. O pacote computacional utilizado é o CFX-TASCflowTM, um código que se baseia no método dos volumes finitos, porém com abordagem em elementos finitos. Idealiza-se uma câmara de combustão bidimensional, e sua geometria é composta de um cilindro e duas válvulas, as quais, através de sub-rotinas personalizadas, movimentam-se em função do tempo. Para a turbulência, utiliza-se o modelo k-é padrão. Objetiva-se neste trabalho estudar a combustão de diferentes combustíveis nesta câmara de combustão. Os combustíveis avaliados são o metano e o heptano, em que dois mecanismos de reação, um de simples e outro de dupla etapa, são avaliados para o metano, e um mecanismo com quatro etapas de reação é avaliado para o heptano, perfazendo assim três estudos de caso. Apresentam-se resultados qualitativos da fluido dinâmica do motor trabalhando a frio, isto é, sem reação, em que gráficos vetoriais e iso-superfícies de temperatura e pressão são exibidos ao longo dos vários estágios do motor, além de resultados quantitativos, referentes aos três estudos de caso, na forma de gráficos de temperatura, pressão e concentração medidos na base do pistão. Os principais resultados demonstram que a metodologia empregada, baseada nas técnicas de CFD, mostra-se apta a reproduzir o comportamento fenomenológico desta câmara de combustão. E verifica-se ainda, poucas diferenças entre os mecanismos de reação e os combustíveis avaliados a partir do modelo de combustão utilizado neste trabalho / Abstract: Internal combustion engine performance and exhaust emissions are governed by unsteady fluid dynamic processes. A clear understanding of these processes is fundamental to improving engine characteristics. Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques are able to produce detailed information throughout the flow. However, numerical simulations of internal combustion engines occur rarely and one of its main issues is the difficulty to approach this problem. There is a complex geometric issue about the piston and valves movement and there are several interactions between the fluids within the combustion chamber. The target case of this work is the four-stroke combustion chamber of a FIAT Palio 1.0 containing two valves for each cylinder. The computational code used is CFX- TASCflowTM which is a finite volume code based on a finite element approach. A two-dimensional combustion chamber has been built and its geometry is composed by a cylinder and two valves which, through customized subroutines, there is motion in function of time. The standard form of k - E: is used as the turbulence model. The objective of this work is to study several fuel combustion in this chamber. The chosen fuels are methane and heptane, where two reaction mechanisms, one single-step and another two-steps, are evaluated for methane, and a four-step overall mechanism is evaluated for the heptane, i.e. three study cases. First is presented the qualitative results of the engine fluid dynamics having no reaction, where vector plots and temperature and pressure isosurfaces are shown over the engine strokes. The quantitative results referring the three study cases are presented through temperature, pressure and concentration plots measured in the piston base. The main results demonstrate that the methodology used, based on the CFD techniques, reveals the aplicability of its modeling and the combustion chamber behavior. Also is verified few differences between the reaction mechanisms and the fuels evaluated from the combustion model used in this work / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química