Este trabalho tem como objetivo implementar e testar modelos de gás cinza atualizados na rotina de radiação térmica do software Fire Dynamics Simulator (FDS), além da utilização do próprio modelo de gás cinza disponível no software, para a predição do fluxo de calor radiativo. Os modelos de gás cinza estudados foram o modelo padrão do software FDS (aqui denominado como GC1), e os modelos de gás cinza mais atuais: o GC2, no qual o coeficiente de absorção do meio participante é dado por relações polinomiais, e o GC3, sendo este um modelo de gás cinza que baseia o cálculo do coeficiente de absorção no modelo WSGG. Os novos modelos de gás cinza foram implementados no código fonte do software FDS, o qual é um código aberto, e a verificação da implementação foi realizada através da solução numérica do equacionamento utilizando os valores reportados pelo software. Com os novos modelos de gás cinza já corretamente implementados, passou-se então para a simulação computacional dos casos previamente selecionados. Para todos os modelos de gás cinza, foram simulados incêndios em poças, para diferentes combustíveis (etanol, n-heptano e metanol) em diferentes cenários de incêndio, considerando ou não a presença de fuligem no sistema. Os cenários de incêndio eram: (i) totalmente fechado, (ii) totalmente aberto e (iii) com uma condição intermediária, fechado, porém com uma abertura para o meio externo. Um estudo de análise de malha e de diferentes parâmetros, como o estudo da quantidade necessária de ângulos sólidos discretos, foram realizados para correta padronização dos parâmetros. As simulações computacionais foram validadas para o modelo de gás cinza padrão do FDS através da comparação de resultados com aqueles reportados na literatura específica de cada caso. Com os modelos já validados simulou-se novamente cada cenário de incêndio com os diferentes modelos de gás cinza anteriormente implementados. A partir da análise dos resultados obtiveram-se boas concordâncias para os campos de temperatura, frações molares tanto de CO2 quanto de H2O e para as frações volumétricas de fuligem. Os fluxos de calor radiativos foram corretamente preditos para todos os modelos de gás cinza implementados. O modelo GC2 apresentou resultados com desvios médios na faixa de 15%, o modelo de gás cinza baseado no WSGG (GC3) apresentou os melhores resultados, com erros médios inferiores a 10%, enquanto que o modelo padrão do software, GC1, apresentou resultados intermediários. / This work aims to implement and test updated gray gas models in the thermal radiation routine of the Fire Dynamics Simulator (FDS) software, as well as the use of the gray gas model available in the software to the prediction of radiative heat flux. The gray gas models studied were the default model of the FDS software (determined GC1), and the most current gray gas models: the GC2, in which the absorption coefficient of the participant medium is given by a polynomial relations, and the GC3, which is a gray gas model that was based on the calculation of the absorption coefficient in the WSGG model. The most recently gray gas models were implemented in the source code, which is an open source, and the verification of the implementation was performed by the numerical solution of the equations from the reported values of the software. With the new gray gas models already implemented, the next step was the computational simulation of the previously selected cases. For all the gray gas models, pool fires were simulated different scenarios of fire for different fuels (ethanol, nheptane and methanol), with and without considering soot presence in the system. The fire scenarios were: (i) fully closed, (ii) fully open and (iii) with an intermediate condition, closed but with an opening to the external environment. A study of a mesh analysis and different parameters, such as the study of the required amount of discrete solid angles, were performed to correct the standard parameters. The computational simulations were verified for the default gray gas model of the FDS by comparing the simulations results with those reported in the specific literature of each case. With the models already verified, each fire scenario was simulated with the different gray gas models previously implemented. From the analysis of the results, good agreements were obtained for the fields of temperature, molar fraction of CO2 and H2O and soot volume fraction. The radiative heat fluxes were correctly predicted for all gray gas models early implemented. The GC2 model present results with average deviation in the range of 15%, the gray gas model based on WSGG (GC3) presented the best results, with average deviation lower than 10%, while the default software model (GC1) presented intermediate results.

Thermal radiation is of significant importance in a broad range of engineering applications including high-temperature and large-scale systems. Although the governing equations of thermal radiation have been known for many years, the complexities inherent in the phenomenon, such as the multidimensionality and integro-differential nature of these equations, have made it difficult to obtain an accurate, efficient, and robust computational method. Developing the finite volume radiation method in the 1990s was a significant progress but not a panacea for computational radiation. The major drawback of this method, which is common among all methods that solve for directional intensities, is its slow convergence rate in many situations which increases the solution cost dramatically. These situations include large optical thicknesses, strongly reflecting boundaries, and any other factor that causes strong directional coupling like complex geometries. Several acceleration schemes have been developed in the heat transfer and neutron transport communities to expedite the convergence and reduce the solution cost, but none of them led to a general and reliable method. Among these available schemes, the two most promising ones, the multiplicative scheme and coupled ordinates method, suffer from failing on fine grids and being very complicated for complex scattering phase functions, respectively. In this research, a new computational method, called the QL method, has been introduced. The main idea of this method is using the phase weight concept to relate the directional and average intensities and re-arranging the Radiative Transfer Equation to find a new expression for the radiant heat flux. This results in an elliptic-type equation for the average intensity at each control volume which conserves the radiant energy in all directions in the control volume. This formulation gives the QL method a great advantage to solve for the average intensity while including the directional effects. Since the directional effects are included and the radiant energy is conserved in each control volume, this method is expected to be accurate and have a good convergence rate in all conditions. The phase weight distribution required by the QL method can be provided by a method like the finite volume method or discrete ordinates method. The QL method is applied to several 1D and 2D test cases including isotropic and anisotropic scattering, black and partially reflecting boundaries, and emitting absorbing problems; and its accuracy, convergence rate, and solution cost are studied. The method has been found to be very stable and efficient, regardless of grid size and optical thickness. This method establishes very accurate predictions on the tested coarse grids and its results approach the exact solution with grid refinement.

Thermal radiation is of significant importance in a broad range of engineering applications including high-temperature and large-scale systems. Although the governing equations of thermal radiation have been known for many years, the complexities inherent in the phenomenon, such as the multidimensionality and integro-differential nature of these equations, have made it difficult to obtain an accurate, efficient, and robust computational method. Developing the finite volume radiation method in the 1990s was a significant progress but not a panacea for computational radiation. The major drawback of this method, which is common among all methods that solve for directional intensities, is its slow convergence rate in many situations which increases the solution cost dramatically. These situations include large optical thicknesses, strongly reflecting boundaries, and any other factor that causes strong directional coupling like complex geometries. Several acceleration schemes have been developed in the heat transfer and neutron transport communities to expedite the convergence and reduce the solution cost, but none of them led to a general and reliable method. Among these available schemes, the two most promising ones, the multiplicative scheme and coupled ordinates method, suffer from failing on fine grids and being very complicated for complex scattering phase functions, respectively. In this research, a new computational method, called the QL method, has been introduced. The main idea of this method is using the phase weight concept to relate the directional and average intensities and re-arranging the Radiative Transfer Equation to find a new expression for the radiant heat flux. This results in an elliptic-type equation for the average intensity at each control volume which conserves the radiant energy in all directions in the control volume. This formulation gives the QL method a great advantage to solve for the average intensity while including the directional effects. Since the directional effects are included and the radiant energy is conserved in each control volume, this method is expected to be accurate and have a good convergence rate in all conditions. The phase weight distribution required by the QL method can be provided by a method like the finite volume method or discrete ordinates method. The QL method is applied to several 1D and 2D test cases including isotropic and anisotropic scattering, black and partially reflecting boundaries, and emitting absorbing problems; and its accuracy, convergence rate, and solution cost are studied. The method has been found to be very stable and efficient, regardless of grid size and optical thickness. This method establishes very accurate predictions on the tested coarse grids and its results approach the exact solution with grid refinement.

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Diss. (sammanfattning) Uppsala : Sveriges lantbruksuniv. / Härtill 4 uppsatser.

O presente trabalho tem por objetivo estudar as Interações Turbulência-Radiação em um escoamento não reativo para meios participantes. Estas interações caracterizam-se por um complexo fenômeno transiente, devido à combinação de dois fenômenos, unindo as características das flutuações da turbulência e da elevada não linearidade do fenômeno da radiação térmica. O estudo consiste em análise numérica do problema por dinâmica de fluidos computacional, através da utilização do Fire Dynamics Simulator (FDS), um software Open-Source, na qual a modelagem da turbulência é feita através da Simulação de Grandes Escalas. Como se trata de um software novo, bem como sendo introduzido no grupo de pesquisa, primeiramente é realizada a simulação de um caso benchmark para verificação e avaliação da formulação numérica. A análise do TRI é realizada em um problema proposto baseado em trocadores de calor reais utilizados em máquinas térmicas, como por exemplo, geradores de vapor ou coletores de escapamento de motores, envolvendo transferência combinada de convecção forçada e radiação térmica. A metodologia de avaliação consiste em comparar o fluxo radiante médio nas fronteiras obtido através da simulação transiente e compará-lo com o fluxo obtido por meio do campo médio temporal de temperaturas. São avaliadas a influência da intensidade de turbulência na entrada do escoamento, assim como a da espessura óptica, ambos relevantes para os efeitos do TRI. Conforme descrito pela literatura, neste tipo de problema as interações podem ser negligenciadas, confirmando os resultados obtidos, da ordem de 2% para o fluxo radiante. / This dissertation has the objective of analyzing the Turbulence-Radiation Interaction for a non-reactive flow with a participating media. These interactions are characterized by complex transient effects, due to the combination of two phenomena, coupling the scalar fluctuations of the turbulence and the highly non-linearity of thermal radiation. The study consists in a numerical analysis through Computational Fluid Dynamics, using the Fire Dynamics Simulator (FDS), an Open-Source software, which employs the Large Eddy Simulation method. Because the software is under development and new in the research group, it will be performed the simulation of a benchmark case for verification and evaluation of the numerical methodology. The TRI analysis will be performed in a proposed problem, based on real heat exchangers, as an example, steam generators or exhaust manifold of combustion engines, involving combined heat transfer between forced convection and radiative heat transfer. The methodology consists in evaluating the radiative mean heat flux obtained by the transient simulation and compare it with the flux obtained with the time-averaged temperature field. It will be evaluated the influence of the turbulence intensity at the inlet and the optical thickness, both very important for the TRI effects. According to the literature, in this case the TRI effects could be neglected, confirming the obtained results, around 2% for the radiative heat flux.

A integração da equação da transferência radiante (RTE) é uma tarefa complexa devido a forte variação do coeficiente de absorção com relação ao número de onda. O modelo da soma ponderada dos gases cinza (WSGG) evita a integração linha por linha da RTE reduzindo o esforço computacional na resolução de problemas que envolvam gases participantes. Com a atualização dos coeficientes do WSGG, obtidos através do banco de dados HITEMP 2010, este trabalho se propôs a validá-los por meio de problemas unidimensionais de transferência de calor radiante. Os problemas são resolvidos pelo modelo WSGG e comparados com a solução obtida pela integração LBL (solução benchmark). Nas comparações foram utilizados diferentes perfis de temperatura, distâncias características, gradientes de temperatura e concentrações de espécies. Nos casos analisados é possível verificar uma boa concordância geral entre os resultados WSGG e LBL. O modelo também é testado na resolução de perfis advindos de seções de uma câmara de combustão cilíndrica que apresentaram condições diferentes para os quais os coeficientes WSGG foram propostos. Mesmo assim os resultados obtidos apresentaram uma boa concordância para o termo fonte radiante e para o fluxo de calor, sendo que os maiores erros foram observados na entrada da câmera onde os gradientes de temperatura são mais significativos. / The spectral integration of the radiative transfer equation (RTE) is still a complex task due to the strong variation of the absorption coefficient with the wavenumber. The Weighted-Sumof- Gray-Gases (WSGG) model avoids the Line-by-Line (LBL) integration of RTE. The aim of this study is to evaluate the updated WSGG coefficients, obtained from the database HITEMP 2010, in one-dimensional problems of radiative heat transfer. The problems are solved by the WSGG model and compared with the solution obtained by the LBL integration (benchmark solution). Various temperature and concentration profiles were evaluated and showed a good overall agreement between the WSGG and LBL results. The model was also tested by solving profiles arising from cylindrical combustion chamber and the obtained results showed good agreement for the radiative heat source term and the heat flux. The largest errors were observed near the chamber entrance where the temperature gradients are most significant.

Este trabalho analisa os efeitos da transferência de calor por radiação térmica em uma chama laminar resultante da combustão de metano com ar. No processo, são resolvidas as equações da continuidade, da quantidade de movimento, da conservação das espécies químicas e da energia. Ainda é utilizado um modelo de formação de fuligem a duas equações e o modelo de combustão de Arrhenius considerando um mecanismo com 112 reações químicas. Para avaliar os efeitos da radiação térmica, o divergente do fluxo radiante é calculado considerando quatro modelos diferentes para os gases: o modelo do gás cinza, a soma ponderada de gases cinzas, e os métodos SLW e CW. Nessa modelagem, é considerado um meio participante composto por monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor d’água e fuligem. No modelo do gás cinza e da soma ponderada de gases cinzas, o coeficiente de absorção da mistura é obtido por correlações que consideram a temperatura local e a concentração do meio. Nos modelos SLW e CW, o coeficiente de absorção é calculado baseado no banco de dados HITEMP. Assim, primeiramente os resultados do divergente do fluxo radiante são confrontados com os diferentes modelos considerando campos pré-estabelecidos de temperatura e concentrações da mistura de gases com a presença de fuligem e, em seguida, é feita uma análise da influência da radiação considerando uma chama difusa oriunda do processo de combustão de metano com ar. Apesar de o meio analisado ser opticamente fino, situação em que os efeitos da absorção são muito baixos, os resultados encontrados para o divergente do fluxo radiante com os modelos de radiação usados na pesquisa mostraram uma diferença média de aproximadamente 20% entre os modelos, chegando a uma diferença máxima local de mais de 50% quando foi considerado o modelo WSGG. Por outro lado, nas situações em que é considerado todo o processo de combustão, a diferença maior ocorre na comparação de casos em que a radiação térmica é negligenciada com os casos em que a radiação é considerada. Os efeitos causados entre os diferentes modelos de radiação no campo de temperaturas e concentrações dos gases foram pequenos. Assim, é observado que, mesmo em meios opticamente finos, a modelagem da radiação térmica é necessária, pois causa diferenças significativas nos resultados e que nesse tipo de meio não é necessário o uso de modelos mais sofisticados de radiação, pois os efeitos da absorção dos gases é muito pequeno. / This work analyses the effects of thermal radiation heat transfer on methane-air laminar diffusion flames. The analysis is based on the solution of the equations of continuity, fluid motion, species mass-fraction and enthalpy. The soot formation is accounted with a twoequation model while a chemistry mecanism with 112 reactions is used for the combustion of methane. To evaluate the effects of thermal radiation, the divergence of the radiative heat flux is calculated based on four different gas models: the gray gas, the weighted sum of gray gases, the SLW and the CW model. In the modeling, it is considered a participating media composed of carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor and soot. Both in the gray gas model and in the weighted sum of gray gases model, the absorption coefficient of the mixture is obtained by correlations that depend on the local temperature and concentration of the medium. On the other hand, in the SLW and CW models, the absorption coefficient is calculated based on the HITEMP spectral database. Thus, the results of the divergence of the radiative heat flux are compared with the different gas models based on a temperature and concentration fields previously obtained, and then, the four gas models used are considered in the entire combustion process to verify the influence of the radiation heat transfer. The results obtained for the divergence of the radiative heat flux considering the four different radiation models used showed an avereged difference of 20%, with a maximum local difference of more than 50%, when the WSGG model was considered. On the other hand, in situations where the whole combustion process is considered, the major difference occurs when is compared the results obtained with a radiation model and the ones where it is neglected. The effects observed with the different radiation models in the temperature field and the gas concentrations were small. Thus is observed that, even in optically thin media, the thermal radiation gas modeling is necessary, and in this particular kind of media, the use of sofisticated gas models are not necessary, because the absorption effect fo the gases are small when compared with their emission.

A integração da equação da transferência radiante (RTE) é uma tarefa complexa devido a forte variação do coeficiente de absorção com relação ao número de onda. O modelo da soma ponderada dos gases cinza (WSGG) evita a integração linha por linha da RTE reduzindo o esforço computacional na resolução de problemas que envolvam gases participantes. Com a atualização dos coeficientes do WSGG, obtidos através do banco de dados HITEMP 2010, este trabalho se propôs a validá-los por meio de problemas unidimensionais de transferência de calor radiante. Os problemas são resolvidos pelo modelo WSGG e comparados com a solução obtida pela integração LBL (solução benchmark). Nas comparações foram utilizados diferentes perfis de temperatura, distâncias características, gradientes de temperatura e concentrações de espécies. Nos casos analisados é possível verificar uma boa concordância geral entre os resultados WSGG e LBL. O modelo também é testado na resolução de perfis advindos de seções de uma câmara de combustão cilíndrica que apresentaram condições diferentes para os quais os coeficientes WSGG foram propostos. Mesmo assim os resultados obtidos apresentaram uma boa concordância para o termo fonte radiante e para o fluxo de calor, sendo que os maiores erros foram observados na entrada da câmera onde os gradientes de temperatura são mais significativos. / The spectral integration of the radiative transfer equation (RTE) is still a complex task due to the strong variation of the absorption coefficient with the wavenumber. The Weighted-Sumof- Gray-Gases (WSGG) model avoids the Line-by-Line (LBL) integration of RTE. The aim of this study is to evaluate the updated WSGG coefficients, obtained from the database HITEMP 2010, in one-dimensional problems of radiative heat transfer. The problems are solved by the WSGG model and compared with the solution obtained by the LBL integration (benchmark solution). Various temperature and concentration profiles were evaluated and showed a good overall agreement between the WSGG and LBL results. The model was also tested by solving profiles arising from cylindrical combustion chamber and the obtained results showed good agreement for the radiative heat source term and the heat flux. The largest errors were observed near the chamber entrance where the temperature gradients are most significant.

Modelos numéricos envolvendo a transferência de calor por radiação em gases participantes são bastante complexos de ser resolvidos devido à dependência espectral das propriedades radiantes. Contudo, a radiação térmica não pode ser negligenciada em processos de combustão, onde as elevadas temperaturas envolvidas tornam a radiação o principal fenômeno de transferência de calor. O cálculo da transferência de calor por radiação envolve propriedades de absorção que variam de forma complexa com a temperatura e número de onda, sendo assim necessária a utilização de modelos espectrais para obtenção de resultados confiáveis com baixo tempo computacional. Neste trabalho, o método da soma-ponderada-degases- cinzas (WSGG) foi aplicado na resolução da transferência de calor radiante em um sistema unidimensional formado por duas placas finitas, paralelas e negras, para diferentes perfis de temperatura e de concentração de espécies químicas. Foram obtidas novas correlações para misturas de vapor d’água e dióxido de carbono, além de correlações para as espécies químicas individuais de vapor d’água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano. A partir do banco de dados HITEMP 2010, as correlações foram geradas para três, quatro e cinco gases-cinzas. A partir das correlações obtidas para o modelo da somaponderada- de-gases-de-cinzas seus resultados são comparados com a solução benchmark obtida pela integração linha-por-linha (LBL). Para todos os casos propostos, é possível verificar uma boa concordância entre os resultados do método da soma-ponderada-de-gasescinzas com o método linha-por-linha. / Problems involving radiation heat transfer in participating media are in general very complex to be solved due to the dependence of the radiative properties with the wavenumber. However, thermal radiation cannot be neglected, especially in combustion processes due to the high temperatures that are involved, making radiation the main heat transfer mode. Calculating the heat transfer by radiation involves absorption properties which varies with the temperature and wavelength, therefore the use of spectral models are required to obtain good results with low computational time. In this dissertation, the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model was applied to resolve the radiation heat transfer in a one-dimensional finite system formed by two parallel plates with black walls, for different temperature profiles and concentrations of the participating species. New WSGG correlations were obtained for mixtures of vapor water and carbon dioxide, besides correlations for the individual chemical species of vapor water, carbon monoxide, carbon dioxide and methane. From the HITEMP 2010 database correlations were generated for three, four and five gray gases. From the correlations obtained for the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model, their results are compared with the benchmark solution obtained by integrating line-by-line (LBL). For all the proposed cases, in general, it is possible to observe a satisfactory agreement between the results of the weighted-sum-of-gray-gases with the line-by-line method.