Publicação: Simulação numérica de um escoamento turbulento não-reativo no interior de uma caldeira ciclônica industrial usando LES e URANS
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
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Uma simulação numérica de um escoamento turbulento não reativo em uma caldeira industrial
ciclônica de CO foi investigada a fim de se compreender a formação de um escoamento rotativo,
o comportamento do fluido em diferentes locais dentro do domínio e a distribuição de espécies
químicas. Como 80% da matriz energética no Brasil é gerada por processos de combustão e as
regulamentações governamentais sobre as emissões de NOx estão se tornando mais restritas,
o aumento da eficiência da combustão em uma caldeira de CO com escoamento turbulento
ciclônico para reduzir as emissões de poluentes tornou-se um tema de pesquisa de engenharia.
Melhorar os processos de mistura por meio de escoamentos turbulentos rotativos pode reduzir a
formação térmica de NOx. Simulações de dinâmica dos fluidos computacional foram realizadas
usando o código MFSim com os modelos de fechamento turbulento LES, URANS Standard
k − ", URANS Standard k − " Modificado e URANS Realizable k − ". Foi fornecida uma base
teórica sobre turbulência, modelos de fechamento LES e URANS, escoamentos com mistura
e escoamentos rotativos. Um estado da arte compreendendo diferentes autores apontou que
alguns trabalhos com URANS Standard k − " demonstraram uma formação de rotação de corpo
sólido prematura devido à sua suposição de viscosidade turbulenta e que escoamentos rotativos
podem reduzir as emissões de poluentes, melhorando a mistura de reagentes e diminuindo a
temperatura da chama. Foram apresentadas as validações relativas aos escoamentos com mistura
de multicomponentes e ao método da Fronteira Imersa. Dos resultados, LES e URANS Standard
k − " apresentaram campos de velocidade semelhantes, capazes de capturar a formação de
escoamento rotativo. Ao analisar três modelos de fechamento URANS, um gráfico de energia
cinética turbulenta ilustrou que é relevante observar a parte modelada e o valor obtido a partir
das flutuações do campo de velocidade. O modelo modificado apresentou baixos valores de
viscosidade turbulenta e comportamento semelhante a LES, com resultados similares ao modelo
Standard. O modelo realizável apresentou resultados distantes em comparação com os outros
modelos estudados e não houve escoamento reverso em seu núcleo giratório. A adição de
diferentes espécies químicas não modificou o campo de velocidade e o maior nível de mistura foi
obtido na região de turbulência mais intensa, próxima às entradas. Os dados fornecidos podem
auxiliar na compreensão da formação de escoamento rotativo, processos de mistura dentro de
uma caldeira e controle de temperatura para reduzir as emissões de poluentes.
Abstract
A numerical simulation of a non-reactive turbulent flow inside a cyclonic industrial CO boiler
was investigated in order to understand the swirling formation, the fluid behavior in different
locations inside the domain and the distribution of chemical species. As 80% of the energy
matrix in Brazil is generated by combustion processes and government regulations about NOx
emissions are becoming more restrict, enhancing combustion efficiency in a CO boiler with
a turbulent swirling flow to reduce pollutant emissions has become an engineering research
topic. Enhancing mixing processes through turbulent swirling flows might reduce thermal NOx
formation. Computational fluid dynamics simulations were realized using the in-house MFSim
code with the turbulent closure models LES, URANS Standard k − ", URANS Standard k − "
Modified and URANS Realizable k − ". A theoretical basis about turbulence, LES and URANS
closure models, mixing and swirling flows was provided. A state of art comprising different
authors pointed out that some works with URANS Standard k − " demonstrated a premature
solid-body rotation formation due to its eddy viscosity assumption and that swirling flows may
reduce pollutant emissions by improving mixing of reactants and decreasing flame temperature.
Validations concerning multi-component mixing flows and Immersed Boundary method were
presented. From the results, LES and URANS Standard k − " presented similar velocity field
results, capable of capturing the swirling formation. When analyzing three URANS closure
models, a turbulent kinetic energy graph illustrated that it is relevant to observe the modeled
part and the value obtained from velocity field fluctuations. The modified model presented
low turbulent viscosity values and an LES-like behavior, with similar results to the standard
model. The realizable model presented distant results comparing to the other models studied
and there was no reverse flow in its swirling core. Adding different chemical species did not
modify the velocity field and the highest mixing level was obtained in the most intense turbulent
swirling region, close to the inlets. The data provided may assist in the comprehension of
swirling formation, mixture processes inside a boiler and temperature control to reduce pollutant
emissions
Palavras-chave
CDF, Turbulence, Swirling flow, URANS, LES, NOx emissions, Turbulência, Escoamento rotativo, Emissões de NOx
Citação
PEREIRA, Luiz Gustavo Freitas. Numerical simulation of a non-reactive turbulent flow inside a cyclonic industrial boiler using LES and URANS. 2021. 168 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.444.
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