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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32708
ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-9944-8328 |
Document type: | Dissertação |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Simulação numérica de um escoamento turbulento não-reativo no interior de uma caldeira ciclônica industrial usando LES e URANS |
Alternate title (s): | Numerical simulation of a non-reactive turbulent flow inside a cyclonic industrial boiler using LES and URANS |
Author: | Pereira, Luiz Gustavo Freitas |
First Advisor: | Vedovotto, João Marcelo |
First member of the Committee: | Souza, Francisco José de |
Second member of the Committee: | Serfaty, Ricardo |
Third member of the Committee: | Meier, Henry França |
Summary: | 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 |
Keywords: | CDF Turbulence Swirling flow URANS LES NOx emissions Turbulência Escoamento rotativo Emissões de NOx |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS |
Subject: | Engenharia mecânica |
Language: | eng |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
Quote: | 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. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.444 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32708 |
Date of defense: | 6-Aug-2021 |
Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica |
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