Implementação dos métodos WSGG e LBL no código de análise de chama unidimensional Chem1D

Abstract

A simulação da radiação em chamas é um problema complexo devido às dependências espectrais e espaciais das intensidades radiantes. Além do mais, o forte acoplamento entre cinética química, temperatura e radiação torna a simulação detalhada de chamas computacionalmente demandante, desta forma, é interessante a utilização de métodos acurados para a solução do problema radiativo com reduzido tempo computacional. O modelo da Somas Ponderadas dos Gases Cinzas (WSGG) e o método de integração benchmark Linha-por-Linha (LBL) para a modelagem da radiação térmica foram implementados no código Chem1D (o qual ja conta com o modelo de Aproximação para Meios Opticamente Finos - OTA). Após, chamas laminares não pré-misturadas contra-corrente de metano diluído com nitrogênio foram simuladas para diferentes taxas de deformação e concentrações de diluente. Estruturas de chama foram obtidas empregando as três abordagens para solução de radiação térmica utilizando o código de análise numérica unidimensional Chem1D. Os resultados foram comparados com dados experimentais e numéricos disponíveis na literatura. Uma boa concordância entre as soluções empregando os métodos de radiação térmica foi encontrada para os perfis de temperatura, velocidade e espécies químicas. Limites de extinção por diluição do combustível foram avaliadas para taxas de deformação de 10 s-1 a 60 s-1 empregando o WSGG e o OTA. Em relação à literatura, resultados satisfatórios foram encontrados. O tempo computacional para o OTA e o WSGG é consideravelmente menor que o LBL.

The simulation of flame radiation is a complex problem due to the spectral and spatial dependencies of the radiative intensities. Besides that, the strong linkage between the chemical kinetics, temperature and radiation makes the detailed simulation of flames computationally demanding, therefore, it’s desirable the employment of accurate methods for solving the radiation problem with reduced computational time. The Weighted Sums of Gray Gases (WSGG) model and the Line-by-Line (LBL) benchmark method for the thermal radiation were implemented in the Chem1D code (which already counts with the Optically Thin Approximation – OTA). Afterwards, non-premixed laminar flames of methane diluted with nitrogen were simulated for different strain rates and diluent concentrations. Flame structures were obtained using the methods for the three approaches for thermal radiation employing the one-dimensional numerical analysis code Chem1D. Results were compared with experimental and numerical data available in the literature. A good agreement between the solutions employing the thermal radiation methods was found for the temperature, velocity and chemical species profiles. Extinction limits by fuel dilution were evaluated at strain rates of 10 s-1 to 60 s-1 using WSGG and OTA. Regarding to the literature, satisfactory results were found. The computational time for the OTA and the WSGG is considerably lower than the LBL.