Modelagem euleriana-lagrangiana da quebra e evaporação de spray de querosene de aviação

Um modelo de componentes discretos (DCM), baseado nas soluções analíticas das equações de transferência de calor e difusão das espécies, juntamente com o modelo de Abramzon-Sirignano foram aplicados para analisar o aquecimento e evaporação de gotas de querosene do tipo Jet A e seus surrogates. A composição do combustível Jet A usada na análise, com 61 componentes divididos em 7 grupos de hidrocarbonetos, foi descrita. Esta composição foi aproximada por doze surrogates previamente desenvolvidos. O número de componentes nesses surrogates varia entre dois e nove, o que deve levar a uma redução significativa em custo computacional no cálculo do aquecimento e evaporação das gotas. Os modelos implementados no código próprio MFSim foram validados em relação a resultados experimentais disponíveis e os melhores surrogates em termos de previsão do tempo de evaporação e da temperatura das gotas de combustível Jet A foram identificados. Mostrou-se que o número de termos nas séries das soluções analíticas para temperatura e frações mássicas das espécies pode ser consideravelmente reduzido quase sem afetar a precisão dos cálculos. Em seguida, um modelo de quebra secundária híbrido determinístico-estocástico também foi incluído no código MFSim. Sua implementação foi validada usando um caso de referência de um spray não-evaporativo comparando-se a penetração do spray e do diâmetro médio de Sauter (SMD) com dados experimentais. Finalmente, Simulações das Grandes Escalas (LES) de sprays evaporativos com alta velocidade foram realizadas usando a abordagem do tipo euleriana-lagrangiana. Para a fase contínua gasosa, as equações filtradas da continuidade, quantidade de movimento, energia e frações mássicas das espécies foram resolvidas, juntamente com a equação da energia cinética turbulenta do modelo de submalha dinâmico. Para as gotas de líquido discretas, foram considerados os modelos de movimento, atomização, aquecimento e evaporação. Diferentes modelos de aquecimento e evaporação foram testados, considerando-se ou não condutividade térmica finita e difusividade finita no interior das gotas. Dois tipos de escoamentos com spray foram estudados neste trabalho devido ao seu interesse prático para motores aeronáuticos, sendo estes injeção de jato de líquido em ambiente quiescente e injeção de jato de líquido em fluxo gasoso cruzado. Com base nos resultados de modelagem obtidos, foi possível demonstrar a influência da composição do líquido no seu comportamento de quebra. Embora considerar gradientes de temperatura e espécies dentro das gotas aumente o custo computacional, o presente estudo chegou à conclusão de que eles devem ser considerados, principalmente em casos de alta temperatura. Além disso, esta pesquisa recomenda considerar a natureza multicomponente dos combustíveis reais usando surrogates como uma estratégia para reduzir o custo computacional.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoTese (Doutorado)A Discrete Component Model (DCM), based on the analytical solutions to heat transfer and species diffusion equations, together with the Abramzon-Sirignano model are applied to analyse the droplet heating and evaporation of Jet A kerosene and its surrogates. The composition of Jet A fuel used in the analysis, with 61 components split into 7 hydrocarbon groups, is described. This composition is approximated by twelve previously developed surrogates. The number of components in these surrogates varies between two and nine, which is expected to lead to a significant reduction in computational cost for calculation of droplet heating and evaporation. The models implemented into the in-house code MFSim are validated against available experimental results and the surrogates best able to predict droplet evaporation time and temperature of the Jet A fuel are identified. It is shown that the number of terms in the series of analytical solutions for temperature and species mass fractions can be considerably reduced almost without affecting the accuracy of calculations. Then, a hybrid deterministic-stochastic secondary breakup model is also included into the MFSim code. Its implementation is validated using a benchmark case of a non-evaporating spray by comparison of both spray penetration and Sauter Mean Diameter (SMD) with experimental data. Finally, Large-Eddy Simulations (LES) of high-speed evaporating sprays are performed using a Eulerian–Lagrangian modelling approach. For the continuous gas phase, the filtered continuity, momentum, energy, and species mass fraction equations are solved together with the dynamic subgrid turbulent kinetic energy equation. For the discrete liquid droplets, motion, atomisation, heating, and evaporation models are considered. Different heating and evaporation models are tested, either considering or not finite thermal conductivity and finite diffusivity inside droplets. Two types of spray flows are studied in this work due to their practical interest for aeronautical engines: liquid jet injection in quiescent environment and liquid jet injection into a gaseous crossflow. Based on the modelling results obtained, it was possible to demonstrate the influence of the liquid composition on its breakup behaviour. Even though considering temperature and species gradients inside droplets increases the computational cost, the present study arrived to the conclusion that they should be considered, especially in high-temperature cases. Also, this research recommends considering the multicomponent nature of real fuels by using surrogates as a strategy for reducing computational cost