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Previous issue date: 2015-03-10 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este estudo tem como objetivo a modelagem numérica do efeito de descarga elétrica
em misturas de ar e metano, considerando um modelo bidimensional que envolvem
transferência de calor e de massa, além de um submodelo discreto de distribuição da
energia das colisões eletrônicas entre as diversas espécies presentes na mistura. O domínio
foi dividido em duas regiões, com e sem descarga eletrônica. Para a região de descarga são
considerados efeitos das colisões com elétrons, químicos e de transferência de calor e de
massa, para a região externa a descarga são considerados efeitos químicos, de transferência
de calor e de massa. Foram simuladas quatro configurações diferentes de descarga em
mistura representando ar seco e uma simulação de descarga em misturas de ar com
metano. Neste trabalho considera-se o ar como fluido incompressível e composto por
diversas espécies.
Para encontrar a solução aproximada do modelo foi aplicado o método das diferenças
finitas em um meio heterogêneo, foram também utilizadas estratégias numéricas para
a separação de determinados termos nas equações, e por fim a resolução destes termos
foram obtidas através da ferramenta de análise de plasma zero dimensional, ZDPlasKin.
No domínio do tempo, foi utilizado o método de Euler, um esquema numérico explicito.
Utilizou-se uma configuração para a descarga eletrônica de 10% para o regime de trabalho,
e foram analisados dois tipos de misturas gasosas, uma representando uma mistura de
N2 _ O2, e outra representando uma mistura de metano e ar. Foram analisados resultados
referentes ao perfil de temperatura no domínio em diferentes instantes de tempo, além de
analisar a variação temporal em diversas espécies contidas nas misturas, em determinados
pontos do domínio. Devido ao alto custo de resolução de determinados termos das
equações, foi utilizada uma estratégia de paralelização do tipo Mestre-Escravo na API
(Application Programming Interface) de programação paralela MPI (Message Passing
Interface).
Foi observado através dos resultados o aquecimento e a difusão do calor da região de
descarga para a região externa, e a difusão de espécies excitadas geradas na região de
descarga para a região externa. Conseguiu-se observar nos resultados o aquecimento da
região externa devido a condução do calor e a difusão de espécies geradas na região de
descarga que saem por difusão para região externa, e esta migração contribuiu para o
aquecimento da região externa, uma vez que estas espécies tendem a relaxação na região
externa a descarga. / This study aims the numerical modeling of electrical discharge in mixtures of air and
methane, considering a two-dimensional model that involves a heat mass transfer, besides
a discrete submodel of electronic distribution of collisions among several species in the
mixture. The domain was divided into two regions, with and without discharge. The
discharge region considers the effect of collisions with electrons, heat and mass transfer
and chemical effects. Four simulations sets of discharge in mixture with dry air and
another mixture with air and methane were executed. This study considers the air as
incompressible formed by several species.
To find the solution of the mathematical model, the finite difference method in a
heterogeneous medium was applied; in addition, numerical techniques to split some
operators of the equation were also adopted. Finally, the approximate solution of these
models were obtained by a zero dimensional plasma analysis tool, ZDPlasKin. In the
time domain, the Euler method, an explicit numerical scheme, was used. The electronic
discharge was set 10% to the work scheme; and two types of gas mixture were analyzed, one
representing a mixture of N2 _ O2 and another with methane and air. Results referring
to the temperature profile in the domain in different time steps were analyzed, as well as
the temporal variation of several species contained in the mixtures in some points of the
domain. Due to the high computational cost demanded to solve some equation terms, a
master-slave parallelization strategy through MPI (Message Passing Interface), a parallel
programming API (Application Programming Interface) was used.
The results ilustrated the heating and heat diffusion from discharge region to external
region, and the diffusion of excited species generated from the discharge region to external
region. The heating in external region occurred due to heat conduction and species
diffusion generated in the discharge region (that diffunding through external region).
This migration contributed to the heating of external region, since these species tending
to de-excitation in region out of discharge.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:hermes.cpd.ufjf.br:ufjf/3546 |
| Date | 10 March 2015 |
| Creators | Crispim, Lucas Wilman da Silva |
| Contributors | Loureiro, Felipe dos Santos, Furones, Maikel Yusat Ballester, Goliatt, Priscila Vanessa Zabala Capriles, Oliva, José de Jesús Rivero, Konzen, Pedro Henrique de Almeida, Santos, Rodrigo Weber dos |
| Publisher | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional, UFJF, Brasil, ICE – Instituto de Ciências Exatas |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFJF, instname:Universidade Federal de Juiz de Fora, instacron:UFJF |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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