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ORCID:  http://orcid.org/0009-0007-7600-6766
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Mecanismos virtuais de cinética química aplicados à modelagem de misturas complexas de combustíveis gasosos
Alternate title (s): Virtual chemical mechanisms applied to the modeling of complex gaseous fuels
Author: Elias, Alex José
First Advisor: Vedovotto, João Marcelo
First coorientator: Serfaty, Ricardo
First member of the Committee: Souza, Francisco José de
Second member of the Committee: Lobato, Fran Sergio
Third member of the Committee: Noriler, Dirceu
Fourth member of the Committee: Pereira, Fernando Marcelo
Summary: Incorporar cinética química detalhada na modelagem numérica da combustão turbulenta é uma tarefa árdua, especialmente quando se deseja estudar, de forma mais realista, problemas de escala industrial. Isso se deve ao fato de que mecanismos cinéticos detalhados são construídos para serem abrangentes, compostos por um número grande de espécies e reações, visando modelar com acurácia uma ampla faixa de condições termo-químicas. Logo, faz-se necessário a avaliação de centenas de equações de transporte para as frações mássicas das espécies presentes, bem como a correta apreciação de cada reação existente no mecanismo cinético. Na grande maioria dos casos de interesse envolvendo dinâmica de fluidos computacional, os recursos computacionais necessários para realizar tal tarefa são proibitivos. Mesmo simulações de reatores 1-D são computacionalmente dispendiosas. Uma alternativa utilizada com frequência na literatura é a redução de mecanismos detalhados, utilizando-se como parâmetros condições específicas de interesse. Embora seja uma estratégia eficiente em casos envolvendo a queima de misturas simples, tende a produzir mecanismos ainda considerados extensos em casos envolvendo misturas de combustíveis complexas. Na presente tese, utiliza-se a estratégia de construção de mecanismos cinéticos virtuais otimizados, na modelagem de uma mistura complexa de combustíveis gasosos, característica de uma caldeira de CO industrial. Essa metodologia visa transferir para uma mecanismo simplificado a complexidade cinética de um mecanismo detalhado de referência. Para tanto, inicialmente são avaliados mecanismos cinéticos disponíveis na literatura em condições de interesse. Um mecanismo detalhado é proposto e utilizado como referência. A esse mecanismo são aplicadas técnicas clássicas de redução de complexidade cinética, com objetivo de identificar o número mínimo de espécies/reações necessários para representar condições de interesse. Posteriormente, o mesmo mecanismo detalhado é utilizado como referência nos processos de otimização do mecanismo cinético virtual. A acurácia do mecanismo otimizado é avaliada em cálculos de chama laminares pré-misturadas unidimensionais. Os resultados obtidos indicam que a metodologia pode ser aplicada com sucesso a misturas complexas de combustíveis gasosos. Entretanto, foi demonstrado que o processo de otimização de condições simultâneas de operação, necessário para generalização do modelo para toda a faixa de interesse, precisa ser revisitado em problemas que exijam a otimização explícita das propriedades termodinâmicas da espécie virtual intermediária.
Abstract: Incorporating detailed chemical kinetics into the numerical modeling of turbulent combustion is an arduous task, especially when one wants to study industrial-scale problems more realistically. In fact, detailed kinetic mechanisms are constructed to be comprehensive, consisting of numerous species and reactions to accurately model a wide range of thermo-chemical conditions. Therefore, it is necessary to evaluate hundreds of transport equations for the mass fractions of the species present, besides the correct appreciation of each reaction existing in the kinetic mechanism. In most cases of interest, the computational resources required to perform such a task are prohibitive. An alternative frequently used in the literature is the reduction of detailed mechanisms using specific conditions of interest as parameters. While this is an efficient strategy in cases involving the burning of simple fuels, it tends to produce mechanisms that are still considered extensive in cases involving complex fuel mixtures. The present thesis uses the strategy of constructing optimized virtual kinetic mechanisms in the modeling of a complex mixture of gaseous fuels characteristic of an industrial CO boiler. This methodology aims transfering to a simplified mechanism the kinetic complexity of a detailed reference mechanism. To this end, firstly kinetic mechanisms available in the literature are evaluated under conditions of interest. A detailed mechanism is proposed and used as a reference. Classical techniques of kinetic complexity reduction are applied to this mechanism to identify the minimum number of species/reactions necessary to represent the conditions of interest. Subsequently, the same detailed mechanism is used as a reference in the optimization processes of the virtual kinetic mechanism, composed of virtual reactions and virtual species. The accuracy of the optimized mechanism is evaluated in one-dimensional premixed laminar flame calculations. The results obtained indicate that the methodology can be successfully applied to complex mixtures of gaseous fuels, just as it was used in studies of hydrocarbon-air mixtures. However, it was shown that the process of optimizing simultaneous operating conditions, necessary for generalizing the model to the entire range of interest, needs to be revisited in problems requiring explicit optimization of the thermodynamic properties of the virtual intermediate species.
Keywords: Cinética detalhada
Detailed chemistry
Mecanismo cinético virtual
Virtual optimized chemistry
Redução cinética
Mechanism reduction
Evolução diferencial
Differential evolution
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::TRANSFERENCIA DE CALOR
Subject: Engenharia mecânica
Gás como combustível
Cinética química
Engenharia de combustão
Termodinâmica
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: ELIAS, Alex José. Mecanismos virtuais de cinética química aplicados à modelagem de misturas complexas de combustíveis gasosos. 2023. 95 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.421.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.421
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38791
Date of defense: 24-Jul-2023
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