Neste trabalho apresenta-se um estudo numérico de uma chama difusiva. Os resultados numéricos são validados com resultados analíticos e experimentais disponíveis na literatura. Com o intuito de obter uma solução de modo simples e com baixo esforço computacional, adotamos o método de diferenças finitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing) baseado na formulação incompressível das equações reativas de Navier- Stokes, considerando-se um domínio retangular e condiçoes de contornos dos tipos Dirichlet e Neumann. Para a comparação dos resultados foram apresentadas a fração de mistura (combustível-ar), frações mássicas dos reagentes (combustível, oxigênio), frações mássicas dos produtos (dióxido de carbono e vapor d' água) e temperatura. / This work presents a numerical study of a diffusive fiame. The numerical results are validated with analytic values and experimental data found in the literature. ln order to obtain a simpIe and with low computational cost solution, the finite difference based on a non oscillatory TVD, Total Variation Diminishing, scheme with the incompressible formulation, for the reacting Navier-Stokes equations, is solved in a rectangular domain with Dirichlet and Neumann boundary conditions. To compare the results, the mixture fraction, the mass fractions of reactants and products and the temperature are shown.

Neste trabalho apresenta-se um estudo numérico de uma chama difusiva. Os resultados numéricos são validados com resultados analíticos e experimentais disponíveis na literatura. Com o intuito de obter uma solução de modo simples e com baixo esforço computacional, adotamos o método de diferenças finitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing) baseado na formulação incompressível das equações reativas de Navier- Stokes, considerando-se um domínio retangular e condiçoes de contornos dos tipos Dirichlet e Neumann. Para a comparação dos resultados foram apresentadas a fração de mistura (combustível-ar), frações mássicas dos reagentes (combustível, oxigênio), frações mássicas dos produtos (dióxido de carbono e vapor d' água) e temperatura. / This work presents a numerical study of a diffusive fiame. The numerical results are validated with analytic values and experimental data found in the literature. ln order to obtain a simpIe and with low computational cost solution, the finite difference based on a non oscillatory TVD, Total Variation Diminishing, scheme with the incompressible formulation, for the reacting Navier-Stokes equations, is solved in a rectangular domain with Dirichlet and Neumann boundary conditions. To compare the results, the mixture fraction, the mass fractions of reactants and products and the temperature are shown.

Neste trabalho apresenta-se um estudo numérico de uma chama difusiva. Os resultados numéricos são validados com resultados analíticos e experimentais disponíveis na literatura. Com o intuito de obter uma solução de modo simples e com baixo esforço computacional, adotamos o método de diferenças finitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing) baseado na formulação incompressível das equações reativas de Navier- Stokes, considerando-se um domínio retangular e condiçoes de contornos dos tipos Dirichlet e Neumann. Para a comparação dos resultados foram apresentadas a fração de mistura (combustível-ar), frações mássicas dos reagentes (combustível, oxigênio), frações mássicas dos produtos (dióxido de carbono e vapor d' água) e temperatura. / This work presents a numerical study of a diffusive fiame. The numerical results are validated with analytic values and experimental data found in the literature. ln order to obtain a simpIe and with low computational cost solution, the finite difference based on a non oscillatory TVD, Total Variation Diminishing, scheme with the incompressible formulation, for the reacting Navier-Stokes equations, is solved in a rectangular domain with Dirichlet and Neumann boundary conditions. To compare the results, the mixture fraction, the mass fractions of reactants and products and the temperature are shown.

Neste trabalho apresenta-se um estudo analítico e numérico de uma chama difusiva turbulenta de metano. Sob a hipótese de baixo número de Mach, desenvolve-se as equações de balanço das espécies químicas (oxigênio, combustível, dióxido de carbono, vapor d'água), fração de mistura, temperatura e quantidade de movimento. Usa-se o modelo Flamelet para desenvolver o trabalho com uma chama difusiva turbulenta. Soluções analíticas são desenvolvidas pela autora, de modo a compreender os mecanismos não lineares existentes e validar a solução numérica. A Simulação em Grandes Escalas (LES) é requisitada para representar o uxo turbulento. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças nitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing), considerando um domínio tridimensional do tipo paralelepípedo, com condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Os resultados analítico e numérico da temperatura, fração de mistura e fração de massa das espécies são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. / This work presents an analytical-numerical study of a turbulent di usion ame of methane. The low Mach number ow hypothesis is assumed, to develop the balance equation of the chemical species (oxygen, fuel, carbon dioxide, water vapour), mixture fraction, temperature and momentum. The Flamelet model is employed to model the turbulent di usive ame. Analytical solutions are developed by the author, to understand the mechanisms of the nonlinear e ects and to validate the numerical solution. The Large Eddy Simulation (LES) is used to capture the turbulent ow. In the numerical simulation, the nite di erence method based on a non oscillatory TVD, Total Variational Diminishing scheme, assuming a three-dimensional parallelopiped domain, with Dirichlet and Neumann boundary conditions, is adopted. The analytical and numerical results for the temperature, mass fraction and mixture fraction are compared with experimental data in the literature.

Neste trabalho apresenta-se um estudo analítico e numérico de uma chama difusiva turbulenta de metano. Sob a hipótese de baixo número de Mach, desenvolve-se as equações de balanço das espécies químicas (oxigênio, combustível, dióxido de carbono, vapor d'água), fração de mistura, temperatura e quantidade de movimento. Usa-se o modelo Flamelet para desenvolver o trabalho com uma chama difusiva turbulenta. Soluções analíticas são desenvolvidas pela autora, de modo a compreender os mecanismos não lineares existentes e validar a solução numérica. A Simulação em Grandes Escalas (LES) é requisitada para representar o uxo turbulento. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças nitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing), considerando um domínio tridimensional do tipo paralelepípedo, com condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Os resultados analítico e numérico da temperatura, fração de mistura e fração de massa das espécies são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. / This work presents an analytical-numerical study of a turbulent di usion ame of methane. The low Mach number ow hypothesis is assumed, to develop the balance equation of the chemical species (oxygen, fuel, carbon dioxide, water vapour), mixture fraction, temperature and momentum. The Flamelet model is employed to model the turbulent di usive ame. Analytical solutions are developed by the author, to understand the mechanisms of the nonlinear e ects and to validate the numerical solution. The Large Eddy Simulation (LES) is used to capture the turbulent ow. In the numerical simulation, the nite di erence method based on a non oscillatory TVD, Total Variational Diminishing scheme, assuming a three-dimensional parallelopiped domain, with Dirichlet and Neumann boundary conditions, is adopted. The analytical and numerical results for the temperature, mass fraction and mixture fraction are compared with experimental data in the literature.

Neste trabalho apresenta-se um estudo analítico e numérico de uma chama difusiva turbulenta de metano. Sob a hipótese de baixo número de Mach, desenvolve-se as equações de balanço das espécies químicas (oxigênio, combustível, dióxido de carbono, vapor d'água), fração de mistura, temperatura e quantidade de movimento. Usa-se o modelo Flamelet para desenvolver o trabalho com uma chama difusiva turbulenta. Soluções analíticas são desenvolvidas pela autora, de modo a compreender os mecanismos não lineares existentes e validar a solução numérica. A Simulação em Grandes Escalas (LES) é requisitada para representar o uxo turbulento. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças nitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing), considerando um domínio tridimensional do tipo paralelepípedo, com condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Os resultados analítico e numérico da temperatura, fração de mistura e fração de massa das espécies são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. / This work presents an analytical-numerical study of a turbulent di usion ame of methane. The low Mach number ow hypothesis is assumed, to develop the balance equation of the chemical species (oxygen, fuel, carbon dioxide, water vapour), mixture fraction, temperature and momentum. The Flamelet model is employed to model the turbulent di usive ame. Analytical solutions are developed by the author, to understand the mechanisms of the nonlinear e ects and to validate the numerical solution. The Large Eddy Simulation (LES) is used to capture the turbulent ow. In the numerical simulation, the nite di erence method based on a non oscillatory TVD, Total Variational Diminishing scheme, assuming a three-dimensional parallelopiped domain, with Dirichlet and Neumann boundary conditions, is adopted. The analytical and numerical results for the temperature, mass fraction and mixture fraction are compared with experimental data in the literature.

O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma metodologia capaz de descrever o fenômeno de combustão em escoamentos turbulentos. Para atingir este objetivo, é feita uma revisão bibliográfica sobre as principais técnicas de estabilização de chamas difusivas uma vez que a turbulência, normalmente, torna chamas deste tipo instáveis. Seguindo o critério de maior aplicabilidade prática foram escolhidas, dentre as técnicas de estabilização na camada de mistura, estabilização através do uso de chamas triplas, através da auto-ignição, da modificação da geometria da câmara, da rotação dos reagentes, do uso de chamas Pilot, do uso de faíscas elétricas e do uso de atuadores de plasma, duas para serem simuladas numericamente. As técnicas escolhidas para simulação utilizam rotação dos reagentes e chamas Pilot para estabilização de uma chama de metano/ar no interior de uma câmara de combustão retangular. Estas duas técnicas são consideradas as mais representativas dentre as demais técnicas apresentadas. A introdução ao assunto é feita através da dedução das equações governantes para a combustão. Utiliza-se a teoria de Semenov para determinar os principais parâmetros de ignição de uma chama e então são apresentadas as oito técnicas de estabilização, consideradas mais relevantes, e suas principais características com relação ao mecanismo de estabilização que cada uma utiliza. Descreve-se a forma de discretização e de implementação numérica das equações governantes do problema. Devido ao caráter turbulento do escoamento, faz-se uso da técnica de simulação de grandes escalas (LES) através do método de discretização em diferenças finitas, considerando um domínio tridimensional. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com dados experimentais presentes na literatura. / The principal objective of this work is to develop a method capable to describe the phenomenon of combustion in turbulent flows. To achieve this goal, a review on the main diffusion flame stabilization techniques is made because the turbulence normally turns such flames unstable. According to the criterium of practical applications it was chosen, among eight techniques, only two to be simulated numerically. The techniques chosen were the swirl and the pilot flames to stabilize the flame of methane/air in a rectangular combustion chamber. These two techniques are considered the most representative among the other presented. The introduction to the subject is made through the deduction of the governing equations for combustion. We use the theory of Semenov to determine the main ignition parameters of a flame and introduce eight of the most relevant stabilization techniques and their main characteristics, with respect to the mechanism of stabilization that each one uses. We describe the discretization process and the num.erical implementation of the governing equations of the problem. Due to the turbulent nature of the flow, we make use of the large eddy simulation technique (LES) with the discretization based on the finite differences method over a three-dimensional domain. The results show good agreement with experimental data found in the literature.

O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma metodologia capaz de descrever o fenômeno de combustão em escoamentos turbulentos. Para atingir este objetivo, é feita uma revisão bibliográfica sobre as principais técnicas de estabilização de chamas difusivas uma vez que a turbulência, normalmente, torna chamas deste tipo instáveis. Seguindo o critério de maior aplicabilidade prática foram escolhidas, dentre as técnicas de estabilização na camada de mistura, estabilização através do uso de chamas triplas, através da auto-ignição, da modificação da geometria da câmara, da rotação dos reagentes, do uso de chamas Pilot, do uso de faíscas elétricas e do uso de atuadores de plasma, duas para serem simuladas numericamente. As técnicas escolhidas para simulação utilizam rotação dos reagentes e chamas Pilot para estabilização de uma chama de metano/ar no interior de uma câmara de combustão retangular. Estas duas técnicas são consideradas as mais representativas dentre as demais técnicas apresentadas. A introdução ao assunto é feita através da dedução das equações governantes para a combustão. Utiliza-se a teoria de Semenov para determinar os principais parâmetros de ignição de uma chama e então são apresentadas as oito técnicas de estabilização, consideradas mais relevantes, e suas principais características com relação ao mecanismo de estabilização que cada uma utiliza. Descreve-se a forma de discretização e de implementação numérica das equações governantes do problema. Devido ao caráter turbulento do escoamento, faz-se uso da técnica de simulação de grandes escalas (LES) através do método de discretização em diferenças finitas, considerando um domínio tridimensional. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com dados experimentais presentes na literatura. / The principal objective of this work is to develop a method capable to describe the phenomenon of combustion in turbulent flows. To achieve this goal, a review on the main diffusion flame stabilization techniques is made because the turbulence normally turns such flames unstable. According to the criterium of practical applications it was chosen, among eight techniques, only two to be simulated numerically. The techniques chosen were the swirl and the pilot flames to stabilize the flame of methane/air in a rectangular combustion chamber. These two techniques are considered the most representative among the other presented. The introduction to the subject is made through the deduction of the governing equations for combustion. We use the theory of Semenov to determine the main ignition parameters of a flame and introduce eight of the most relevant stabilization techniques and their main characteristics, with respect to the mechanism of stabilization that each one uses. We describe the discretization process and the num.erical implementation of the governing equations of the problem. Due to the turbulent nature of the flow, we make use of the large eddy simulation technique (LES) with the discretization based on the finite differences method over a three-dimensional domain. The results show good agreement with experimental data found in the literature.

O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma metodologia capaz de descrever o fenômeno de combustão em escoamentos turbulentos. Para atingir este objetivo, é feita uma revisão bibliográfica sobre as principais técnicas de estabilização de chamas difusivas uma vez que a turbulência, normalmente, torna chamas deste tipo instáveis. Seguindo o critério de maior aplicabilidade prática foram escolhidas, dentre as técnicas de estabilização na camada de mistura, estabilização através do uso de chamas triplas, através da auto-ignição, da modificação da geometria da câmara, da rotação dos reagentes, do uso de chamas Pilot, do uso de faíscas elétricas e do uso de atuadores de plasma, duas para serem simuladas numericamente. As técnicas escolhidas para simulação utilizam rotação dos reagentes e chamas Pilot para estabilização de uma chama de metano/ar no interior de uma câmara de combustão retangular. Estas duas técnicas são consideradas as mais representativas dentre as demais técnicas apresentadas. A introdução ao assunto é feita através da dedução das equações governantes para a combustão. Utiliza-se a teoria de Semenov para determinar os principais parâmetros de ignição de uma chama e então são apresentadas as oito técnicas de estabilização, consideradas mais relevantes, e suas principais características com relação ao mecanismo de estabilização que cada uma utiliza. Descreve-se a forma de discretização e de implementação numérica das equações governantes do problema. Devido ao caráter turbulento do escoamento, faz-se uso da técnica de simulação de grandes escalas (LES) através do método de discretização em diferenças finitas, considerando um domínio tridimensional. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com dados experimentais presentes na literatura. / The principal objective of this work is to develop a method capable to describe the phenomenon of combustion in turbulent flows. To achieve this goal, a review on the main diffusion flame stabilization techniques is made because the turbulence normally turns such flames unstable. According to the criterium of practical applications it was chosen, among eight techniques, only two to be simulated numerically. The techniques chosen were the swirl and the pilot flames to stabilize the flame of methane/air in a rectangular combustion chamber. These two techniques are considered the most representative among the other presented. The introduction to the subject is made through the deduction of the governing equations for combustion. We use the theory of Semenov to determine the main ignition parameters of a flame and introduce eight of the most relevant stabilization techniques and their main characteristics, with respect to the mechanism of stabilization that each one uses. We describe the discretization process and the num.erical implementation of the governing equations of the problem. Due to the turbulent nature of the flow, we make use of the large eddy simulation technique (LES) with the discretization based on the finite differences method over a three-dimensional domain. The results show good agreement with experimental data found in the literature.

Neste trabalho apresenta-se uma modelagem e a simulação de chamas difusivas turbulentas de etanol. A pesquisa trata da simulação da mistura molecular envolvendo reações químicas e combustão. Como os modelos de cinética química detalhada podem tornar-se computacionalmente proibitivos, por possuírem inúmeras reações e várias espécies, modelos cinéticos reduzidos são adotados. O mecanismo de oxidação do etanol utilizado possui 372 reações elementares e 56 espécies. Para diminuir a rigidez do sistema de equações rea- tivas resultantes, desenvolveu-se um mecanismo reduzido através do Método de Redução Sistemático, que usa as hipóteses de equilíbrio parcial e de regime permanente. A técnica Reaction Difusion Manifolds (REDIM), que aplica o conceito de variedade invariante, também foi implementada. A formulação Euleriana é utilizada para resolver as equações governantes da fase gasosa, que incluem as equações de Navier-Stokes, fração de mistura, fração mássica das espécies e temperatura. O efeito das gotas, fase líquida, é considerado pela introdução de termos fonte apropriados nas equações da fase gasosa. A Simulação em Grandes Escalas é utilizada para representar o fluxo turbulento com o modelo submalha de Smagorinsky para modelar a viscosidade turbulenta. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças finitas com um sistema não oscilatório do tipo Total Variation Diminishing (TVD). O domínio é um queimador tridimensional com malha não uniforme para garantir a eficiência e precisão nos resultados em regiões onde o refinamento faz-se necessário. Para validar o modelo, além dos resultados numéricos para chamas difusivas de etanol, também realiza-se testes numéricos para chamas difusivas de metano e metanol, e os resultados obtidos comparam favoravelmente com dados encontrados na literatura. / This work presents the modeling and simulation of turbulent diffusion flames of etha- nol. The study addresses the simulation of the molecular mixing, chemical reactions and combustion. Since detailed chemical kinetics models may be computationally prohibitive, reduced kinetic models are adopted. The ethanol oxidation mechanism consists of 372 elementary reactions and 56 species. To decrease the stiffness of the reactive system of equations, a reduced mechanism is developed using the Systematic Reduction Method, based on the partial equilibrium and steady-state approximations. The Reaction Diffusion Manifolds (REDIM) technique, which applies the concept of invariant manifolds to treat the influence of the transport processes on the reduced model, is also employed. The Eule- rian formulation is used to solve the governing equations of the gas phase, which includes the Navier-Stokes, mixture fraction, species mass fraction and temperature equations. The effect of the drops, the liquid phase, is considered by introducing appropriate source terms in the equations of the gas phase. Large-Eddy Simulation is used to represent the turbulent flow with the Smagorinsky model for the turbulent viscosity. The numerical simulations are carried out using the finite difference method with a non oscillatory Total Variation Diminishing (TVD) scheme. The burner is a three-dimensional domain with nonuniform mesh to ensure efficiency and accuracy in regions where mesh refinement is necessary. To validate the model, besides the numerical results for diffusive flames of ethanol, numerical tests for methane and methanol diffusive flames are also carried out and the results compare favourably with data in the literature.