Estudo e modelagem da propagação de chamas pela abordagem BML utilizando o STOKES

Orientador: Sávio Souza Venâncio ViannaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: A modelagem numérica de explosões de gás no contexto da fluidodinâmica computacional (CFD) é uma importante ferramenta para predizer o comportamento da chama e suas consequências associadas. Esta importância é particularmente relevante na presença de obstáculos ou áreas altamente congestionadas, em que a geração de turbulência pode contribuir significativamente para a aceleração da chama. Na modelagem da combustão, os efeitos da turbulência na propagação das chamas são incorporados no termo fonte da taxa de reação. Nesse contexto, este trabalho se concentra na análise e no melhoramento dos modelos de reação química implementados no STOKES (Shock Towards Kinetic Explosion Simulator), um código de CFD desenvolvido por pesquisadores da Unicamp dedicado à simulação de explosões de gás em geometrias complexas. STOKES conta com o modelo Bray-Moss-Libby (BML) para o cálculo da taxa de reação turbulenta e um modelo de queima laminar representa o desenvolvimento inicial da chama. Modelos flamelet como o BML são altamente dependentes de constantes ajustadas. Isso representa um desafio à ampliação da aplicabilidade do STOKES, uma vez que é necessária a calibração das constantes dos modelos para todos os novos casos. De forma a endereçar essa questão principal, duas abordagens pragmáticas são propostas no escopo desse trabalho. A primeira é dedicada à modelagem de um fator de estiramento dinâmico para contabilizar os efeitos do escoamento no estiramento da chama. A segunda refere-se ao desenvolvimento de um modelo híbrido para a taxa de reação turbulenta, por meio da combinação do modelo BML com o conceito fractal para a modelagem da escala de comprimento de enrugamento da chama. Simulações foram conduzidas em câmaras de combustão parcialmente obstruídas de tamanhos relativamente pequenos, e uma geometria semi-confinada de comprimento de larga escala representando um módulo de processo. Apesar de o fator de estiramento dinâmico proposto ter levado a uma pequena melhora no tempo de chegada da chama, um aumento inesperado da região da chama foi observado. Por outro lado, a abordagem híbrida mostrou uma melhor concordância com dados da literatura do que o modelo originalmente implementado no STOKES. Entretanto, a melhora atingida pelo modelo híbrido foi obtida em decorrência de ajustes em parâmetros do modelo de queima laminar. Esta observação chamou atenção para a importância de se predizer acuradamente o desenvolvimento inicial laminar do núcleo da chama, bem como a transição do regime de queima laminar para o turbulentoAbstract: The numerical modelling of gas explosions in the context of computational fluid dynamics (CFD) is a very important tool to predict flame behaviour and the associated consequences. This is particularly relevant in the presence of obstacles or highly congested areas, where the generation of turbulence may significantly contribute to flame acceleration. In combustion modelling, the effects of turbulence on flame propagation are incorporated in the reaction rate source term. In this context, this work is focused on analysing and improving the reaction rate models implemented in STOKES (Shock Towards Kinetic Explosion Simulator), an in-house developed CFD code dedicated to the simulation of gas explosions in complex geometries. STOKES counts on the Bray-Moss-Libby (BML) model for the turbulent reaction rate calculation and a laminar burning model to account for the initial flame development. Flamelets models such as the BML are highly dependant on adjustable constants. This poses a challenge to broaden the applicability of STOKES, since extensive calibration of model constants is required for all new cases. In order to address this main issue, two pragmatic approaches are proposed in the scope of this work. The first is dedicated to the modelling of a dynamic stretch factor to account for the effects of the flow to the flame stretch. The second refers to development of a hybrid model for the turbulent reaction rate by combining the BML model with the fractal concept for modelling the flame length scale of wrinkling. Simulations were conducted in partially obstructed combustion chambers of relatively small sizes, and a semi-confined geometry of large scale dimensions representing a typical process module. Although the proposed dynamic stretch factor lead to a slight improvement in the corresponding flame time arrivals, an unexpectedly enlarged flame region was observed. On the other hand, the hybrid approach showed an improved agreement with literature data when compared to the combustion model originally implemented in STOKES. However, the improvement attained by the hybrid approach was achieved on the account of adjustments in the laminar burning model constants. This observation drew attention to the importance of accurately predicting the initial laminar kernel development as well as the transition from the laminar to the turbulent propagation regimesMestradoEngenharia QuímicaMestra em Engenharia Química131767/2019-4CNP