Modelagem lagrangiana de evaporação de gota

Evaporation of liquid droplets in high temperature gas environment is of great importance in many engineering applications. Accurate droplet evaporation predictions are crucial in modeling spray combustion, since it is considered a rate limiting process. For this reason, the present dissertation aims are, first, to implement and validate Lagrangian droplet evaporation models that are usually used in spray calculations, including equilibrium and non-equilibrium formulations, and, second, to use these models to pursue a deeper insight on the physical phenomena that may be involved in droplet evaporation processes. In order to validate and assess these theoretical model predictions, an in-house code was developed and diameter evolution results from the numerical simulations are compared to experimental data. First, the model performance is evaluated for water in a case of low evaporation rate and, then, it is evaluated for n-heptane in moderate and high evaporation rates using recent experimental data acquired with a new technique. The Abramzon-Sirignano model is the only one which does not overestimate the evaporation rate for any ambient condition tested, when compared with experimental rate. From the results, it is also revealed that, when a correction factor for energy transfer reduction due to evaporation is incorporated in the classical evaporation model, the predictions from this model and the non-equilibrium one cannot be differentiated, even if the initial droplet diameter is small. Furthermore, the incorporation of natural and forced convection effects on the droplet evaporation rate, by using an empirical correlation, is investigated, showing that including the Grashof number into the Ranz-Marshall correlation actually overestimates the evaporation rate for atmospheric pressure. Finally, the effects of ambient conditions on ethanol evaporation are investigated. Under ambient temperatures higher than the threshold temperature, the evaporation rate is enhanced with the increase of ambient pressure, contrary to what happens for cases when the ambient temperature is lower than the threshold temperature.Dissertação (Mestrado)A evaporação de gotas líquidas em ambientes gasosos com alta temperatura é de grande relevância em muitas aplicações de engenharia. Previsões precisas da evaporação de gotas são cruciais na modelagem de sprays reativos, uma vez que este é considerado um processo limitante. Portanto, os objetivos da presente dissertação são, primeiro, implementar e validar modelos lagrangianos de evaporação de gotas que são geralmente utilizados em estudos de spray, incluindo as formulações de equilíbrio e não equilíbrio, e, segundo, usar esses modelos para buscar uma visão mais profunda dos fenômenos físicos que podem estar envolvidos no processo de evaporação de gotas. Para validar e avaliar as previsões destes modelos teóricos, foi desenvolvido um código e a evolução do diâmetro da gota obtida por simulação numérica é comparada com dados experimentais. Primeiro, o desempenho dos modelos é avaliado para água em um caso de baixa taxa de evaporação e, em seguida, para n-heptano com taxa de evaporação moderada e alta usando dados experimentais obtidos recentemente por meio de uma nova técnica. O modelo de Abramzon-Sirignano é o único que não superestima a taxa de evaporação para quaisquer condições ambiente testadas, quando comparada com a taxa experimental. A partir dos resultados, também é revelado que, quando um fator de correção para a redução da transferência de energia devido à evaporação é incorporado ao modelo clássico de evaporação, as previsões deste modelo e do modelo de não equilíbrio não podem ser diferenciadas, mesmo quando o diâmetro inicial da gota é pequeno. Além disso, a incorporação de efeitos de convecção natural e forçada na taxa de evaporação, usando uma correlação empírica, é investigada, mostrando que a inclusão do número de Grashof na correlação de Ranz-Marshall na verdade superestima a taxa de evaporação para pressão atmosférica. Finalmente, os efeitos das condições ambientes na evaporação de etanol são investigados. Sob temperaturas ambientes superiores à temperatura limite, a taxa de evaporação aumenta com o aumento da pressão ambiente, contrariamente ao que acontece nos casos em que a temperatura ambiente é menor que a temperatura limite